DE102007053890B4 - Internal combustion engine with auto-ignition - Google Patents
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Abstract
Verbrennungsmotor (101) mit Selbstzündung mit einem Motorblock (102) mit zumindest einem Zylinder (306, 402) und einem diesen zugeordneten Kolben, einem Einspritzsystem (104) zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder (306, 402) sowie einerEinlasseinrichtung (103, 310) für Ladeluft mit zumindest einem Einlasskanal (404) und einem diesem zugeordneten Einlassventil und einerAuslasseinrichtung (105) für Abgas mit zumindest einem Auslasskanal und einem diesem zugeordneten Auslassventil und einem anschließendem Abgassystem (106) mit Partikelfilter (107)wobei der Zylinder (306, 402) einen Zylinderkopf und der Kolben einen Kolbenkopf (201) aufweist und Zylinderkopf und Kolbenkopf (201) Innenflächen eines Brennraumes bildenund in der Oberfläche des Kolbenkopfs (202) eine Kolbenmulde (206) mit einem Muldenrand (208) angeordnet ist, wobei bei einem auf einen Kreis normierten Muldenrand (208) das Verhältnis von Muldenranddurchmesser (203) zu Kolbendurchmesser (204) größer 0,55 ist oder bei einer zu 90% gefüllten Kolbenmulde (206) bei einer auf einen Kreis normierten Füllfläche das Verhältnis der Füllfläche zur Kolbenquerschnittsfläche > 0,30 istein Einlasskanal (404) als Drallkanal (301) mit einem zugeordneten Drallkanalventil ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum einen Drall erhält,dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen ausgewählten Zylinder (306, 402)die Einlassströmung bei zumindest einem Ventilhub Vh zwischen 2 mm und Vhh = 0,5Vhm eine Drallanhebung mit einer ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D einen Wert > 0,3 aufweist, wobei Vhm den maximalen Ventilhub oder insbesondere einen Wert Vhm = 8mm bezeichnet,die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0.5Vhm eine Drallanhebung mit einer normierten integralen Tippelmann-Drallzahl Di einen Wert > 0,40/mm aufweist oderdie Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen 2 mm und Vhh = 0,5Vhm eine Drallanhebung aufweist, derart, dass bei einer Vermessung der ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D in Abständen von 0,5 mm die mittlere Tippelmann-Drallzahl Dm für mindestens ein Ventilhubintervall DeltaV = 1mm einen Wert ≥ 0,4 aufweist.An internal combustion engine (101) with auto-ignition having an engine block (102) with at least one cylinder (306, 402) and a piston associated therewith, an injection system (104) for direct fuel injection into the cylinder (306, 402) and an intake device (103, 310). for charge air with at least one inlet channel (404) and an inlet valve associated therewith and exhaust gas outlet means (105) having at least one outlet channel and an outlet valve associated therewith and a downstream exhaust system (106) with particulate filter (107) the cylinder (306, 402) a cylinder head and the piston has a piston head (201) and the cylinder head and piston head (201) inner surfaces of a combustion chamber and in the surface of the piston head (202) a piston recess (206) is arranged with a trough edge (208), wherein at one on a circle Normalized bowl rim (208) the ratio of bowl rim diameter (203) to piston diameter (204) greater than 0.55 i or with a 90% filled piston recess (206) with a filling surface normalized to a circle, the ratio of the filling surface to the piston cross-sectional area> 0.30 is an inlet channel (404) designed as a swirl channel (301) with an associated swirl channel valve, the inlet flow in the combustion chamber receives a swirl, characterized in that for at least one selected cylinder (306, 402) the intake flow at at least one valve lift Vh between 2 mm and Vhh = 0.5Vhm a swirl increase with a Ventilhubabhängigen Tippelmann swirl number D a value> 0, 3, where Vhm denotes the maximum valve lift or, in particular, a value Vhm = 8mm, the intake flow in a valve lift range between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5Vhm a swirl increase with a normalized integral Tippelmann swirl Di numbering> 0.40 / mm or the inlet flow has a swirl lift in a valve lift range between 2 mm and Vhh = 0.5 Vhm, in a measurement of the valve lift-dependent Tippelmann swirl number D at intervals of 0.5 mm, the mean Tippelmann swirl number Dm has a value ≥ 0.4 for at least one valve lift interval DeltaV = 1 mm.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Selbstzündung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.The present invention relates to an internal combustion engine with auto-ignition according to the preamble of the independent claim.
Zur Erfüllung heutiger und zukünftiger strenger Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw ist der Einsatz verschiedener Technologien bekannt, die eine Abstimmung relativ vieler inner- und außermotorischer Maßnahmen zur Emissionsreduzierung beinhalten, Bekannte motorische Maßnahmen zur Reduzierung der Rohemissionen betreffen das Brennverfahren (Brenngestaltung, Kanalform, Drall der Einlassströmung), Einstellung des Lambdawertes, Einspritzzeitpunkt und Abgasrückführung, Einspritzsystem (Anpassung des Einspritzverlaufs), Abgasrückführung, Aufladung, Ladeluftkühlung, Wassereinspritzung. Außermotorische Abgasnachbehandlungsmaßnahmen umfassen den Einsatz von Partikelfiltern, Oxidationskatalysatoren und NOx-Katalysatoren.To meet today's and future stringent emission limits for diesel passenger cars, the use of various technologies is known, which include a vote of relatively many internal and external engine measures to reduce emissions. Known engine measures to reduce the raw emissions related to the combustion process (combustion design, channel shape, swirl of the inlet flow ), Adjustment of the lambda value, injection timing and exhaust gas recirculation, injection system (adaptation of the injection curve), exhaust gas recirculation, charging, intercooling, water injection. Non-exhaust aftertreatment measures include the use of particulate filters, oxidation catalysts, and NOx catalysts.
Bekannt ist auch, dass bei Dieselmotoren Maßnahmen, die die Rußemissionen reduzieren, dazu tendieren, die Strickoxidemissionen zu erhöhen. Während es noch für die Einhaltung der Euro4-Abgasgrenzwerte möglich war, bei relativ niedrigen NOx-Emissionen relativ hohe Rußemissionen zu tolerieren, da letztere durch im Abgassystem angeordnete Partikelfilter aufgefangen werden konnten, ist dies bei den strengeren Abgasgrenzwerten nach Euro5 nicht mehr möglich, da die Partikelfilter nach zu kurzer Zeit bereits eine hohe Beladung aufweisen, was eine häufige Regeneration mit entsprechend hohem Kraftstoffverbrauch und erhöhter Kohlendioxidemission zur Folge hat.It is also known that in diesel engines, measures that reduce soot emissions tend to increase the levels of knit oxide emissions. While it was still possible to comply with the Euro4 exhaust limits to tolerate relatively high levels of soot emissions at relatively low NOx emissions, since the latter could be absorbed by arranged in the exhaust system particulate filter, this is no longer possible with the stricter emission limits according to Euro5, as the Particle filter after too short a time already have a high load, which has a frequent regeneration with correspondingly high fuel consumption and increased carbon dioxide emissions result.
Aus der
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher bei einem Verbrennungsmotor mit Selbstzündung eine Reduzierung der Rohemissionen von Stickoxiden und Rußpartikeln zu erreichen, so dass diese möglichst nahe an die durch die Euro-Norm
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.The object is achieved with the features of the independent claim.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit Selbstzündung mit einem Motorblock mit zumindest einem Zylinder und einem diesen zugeordneten Kolben, einem Einspritzsystem zur Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder umfasst eine
- Einlasseinrichtung für Ladeluft mit zumindest einem Einlasskanal und einem zugeordneten Einlassventil und eine
- Auslasseinrichtung für Abgas mit zumindest einem Auslasskanal und einem diesem zugeordneten Auslassventil und einem anschließendem Abgassystem mit Partikelfilter versehen,
- wobei der Zylinder einen Zylinderkopf und der Kolben einen Kolbenkopf aufweist und Zylinderkopf und Kolbenkopf Innenflächen eines Brennraumes bilden
- und in der Oberfläche des Kolbenkopfs eine Kolbenmulde mit einem Muldenrand angeordnet ist, wobei bei einem auf einen Kreis normierten Muldenrand das Verhältnis von Muldenranddurchmesser zu Kolbendurchmesser größer 0,55 ist oder bei einer zu 90% gefüllten Kolbenmulde bei einer auf einen Kreis normierten Füllfläche das Verhältnis der Füllfläche zur Kolbenquerschnittsfläche > 0,30 ist
- ein Einlasskanal als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum einen Drall erhält.
- Inlet device for charge air with at least one inlet channel and an associated inlet valve and a
- Exhaust gas outlet device with at least one outlet channel and an outlet valve associated therewith and a downstream exhaust system with particle filter,
- wherein the cylinder has a cylinder head and the piston has a piston head and the cylinder head and piston head form inner surfaces of a combustion chamber
- and in the surface of the piston head, a piston recess is arranged with a trough edge, wherein in a normalized to a circle trough edge, the ratio of bowl rim diameter to piston diameter is greater than 0.55 or in a 90% filled piston bowl with a normalized to a circle filling surface, the ratio the filling surface to the piston cross-sectional area> 0.30
- an intake passage is formed as a swirl passage with an associated swirl passage valve, wherein the intake flow into the combustion chamber receives a swirl.
Der Verbrennungsmotor ist ausgelegt, dass für zumindest einen ausgewählten Zylinder bei Ein - Kanalöffnung
- die Einlassströmung bei zumindest einem Ventilhub Vh zwischen 2 mm und Vhh = 0.5Vhm eine Drallanhebung mit einer ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D mit einen Wert > 0,3 aufweist, wobei Vhm den maximalen Ventilhub, insbesondere mit einem Wert Vhm=8mm bezeichnet,
- die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0.5 Vhm eine Drallanhebung mit einer normierten integralen Tippelmann-Drallzahl Di mit einen Wert > 0,40/mm aufweist oder
- die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh= 2 mm und Vhh=0,5 Vhm eine Drallanhebung aufweist, derart dass bei einer Vermessung der ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D in Abständen von 0,5 mm die gemittelte Tippelmann - Drallzahl Dm für mindestens ein Ventilhubintervall DeltaV= 1mm einen Wert > 0,4 aufweist.
- the inlet flow at at least one valve lift Vh between 2 mm and Vhh = 0.5Vhm has a swirl increase with a valve lift-dependent Tippelmann swirl number D having a value> 0.3, where Vhm denotes the maximum valve lift, in particular with a value Vhm = 8 mm,
- the inlet flow in a valve lift range between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 Vhm has a swirl increase with a normalized integral Tippelmann swirl number Di with a value> 0.40 / mm or
- the inlet flow in a Ventilhubbereich between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 Vhm has a swirl increase, so that in a measurement of valve lift-dependent Tippelmann swirl number D at intervals of 0.5 mm, the average Tippelmann - Dwell number Dm for at least one valve lift interval DeltaV = 1mm has a value> 0.4.
Bei Einkanalöffnung erfolgt lediglich über den Drallkanal eine Zufuhr von Ladeluft in den Brennraum.In the case of a single-channel opening, a supply of charge air into the combustion chamber takes place only via the swirl duct.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist es möglich im Betriebspunkt 2000 l/min und einem effektiven Mitteldruck von 8 bar eine NOx-Emission von < 1,55 g/kWh bei einer Rußemission von < 0,08 g/kWh zu erreichen. Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor in den oben genannten Betriebspunkt auch noch Emissionen von < 1,5, 1,43, 1,38 und 1,3 g/kWh bei Rußemissionen von < 0,075, 0,071, 0,065 oder 0,006 g/kWh erreichen.With the internal combustion engine according to the invention, it is possible at operating point 2000 l / min and an effective mean pressure of 8 bar to achieve a NOx emission of <1.55 g / kWh with a soot emission of <0.08 g / kWh. Preferably, the internal combustion engine according to the invention can also achieve emissions of <1.5, 1.43, 1.38 and 1.3 g / kWh for soot emissions of <0.075, 0.071, 0.065 or 0.006 g / kWh in the operating point mentioned above.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug weist bei einem Betrieb im neuen europäischen Fahrtzyklus NOx-Rohemissionen mit einem Wert von < 300 mg/km und Partikel-Rohemissionen mit einem Wert von < 35 mg/km auf. Vorzugsweise weist ein derartiges Kraftfahrzeug NOx-Rohemissionen mit einem Wert < 280 mg/km, 235 mg/km, 200 mg/km, 180 mg/km oder 160 mg/km und gleichzeitig Partikel-Rohemissionen, die einen Wert von 40 mg/km, 45 mg/km, 50 mg/km, 55 mg/km oder 60 mg/km nicht überschreiten auf.A motor vehicle equipped with the internal combustion engine according to the invention, when operated in the new European driving cycle, has NOx raw emissions with a value of <300 mg / km and raw particle emissions with a value of <35 mg / km. Preferably, such a motor vehicle NOx emissions with a value <280 mg / km, 235 mg / km, 200 mg / km, 180 mg / km or 160 mg / km and at the same time raw particle emissions, which have a value of 40 mg / km , 45 mg / km, 50 mg / km, 55 mg / km or 60 mg / km.
Ein derartiges Fahrzeug erreicht oder unterschreitet bei Einsatz eines Partikelfilters die Abgasgrenzwerte der neuen europäischen Norm EU5.Such a vehicle reaches or falls below the exhaust emission limits of the new European standard EU5 when using a particulate filter.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einlassströmung bei Einkanalöffnung und bei maximalen Ventilhub Vhm, insbesondere mit Vhm= 8 mm, eine ventilhubabhängige Tippelmann - Drallzahl D mit einen Wert > 0,4 und/ oder das Einlassventil einen ventilhubabhängigen Durchflusskoeffizienten αK > 0,04 aufweist: Damit lässt sich eine verbesserte Gemischaufbereitung bei gleichzeitig guter Zylinderfüllung erreichen.In a preferred embodiment, it is provided that the inlet flow at a single-channel opening and at maximum valve lift Vhm, in particular with Vhm = 8 mm, a Ventilhubabhängige Tippelmann - spin number D with a value> 0.4 and / or the intake valve Ventilhubabhängigen flow coefficient αK> 0, 04 shows: This can be achieve improved mixture preparation with good cylinder filling at the same time.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend unabhängig von der zusammenfassenden Darstellung in den Patentansprüchen anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben aus denen sich weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben.The invention will be described in more detail below independently of the summary in the claims with reference to embodiments illustrated in drawings from which further advantages and aspects of the invention.
Es zeigen
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1 :einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit Selbstzündung, - Fig, 2: einen Kolbenkopf mit Kolbenmulde,
-
3 a und3 b : Drall- und Füllkanäle einer Einlasseinrichtung mit Drallklappe, -
3 c : Ventilsitze mit Bearbeitung, -
4 : einen Tippelmann-Prüfstand, -
5 : eine Darstellung von ventilhubabhängigen Drall und Durchfluss im Einkanalbetrieb, -
6 : eine Darstellung von ventilhubabhängigen Drall und Durchfluss im Zweikanalbetrieb, -
7 : Rußemissionen in Abhängigkeit von Öffnungsstellungen einer Drallklappe, -
8 : Rußemissionen in Abhängigkeit von Öffnungsstellungen einer Drallklappe, -
9 : Rußemissionen in Abhängigkeit von Öffnungsstellungen einer Drallklappe, -
10-11 : Rußemissionen in Abhängigkeit von Öffnungsstellungen einer Drallklappe.
-
1 : an internal combustion engine according to the invention with auto-ignition, - 2, a piston head with piston recess,
-
3 a and3 b : Swirl and fill channels of an inlet device with swirl flap, -
3 c Photos: Valve seats with machining, -
4 : a Tippelmann test bench, -
5 : a representation of valve lift-dependent swirl and flow in single-channel operation, -
6 : a representation of valve lift-dependent swirl and flow in two-channel operation, -
7 : Soot emissions depending on open positions of a swirl flap, -
8th : Soot emissions depending on open positions of a swirl flap, -
9 : Soot emissions depending on open positions of a swirl flap, -
10-11 : Soot emissions depending on the opening positions of a swirl flap.
In
Es versteht sich, dass in anderen, in der
Der
Der Dieselpartikelfilter
Das Abgassystem ist mit einem Abgasrückführsystem (AGR) mit einem AGR-Ventil
Es versteht sich, dass zur Erfüllung strenger Abgasnormen, die verschiedenen in
Im Folgenden werden wichtige Komponenten eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor genauer dargestellt. Vorzugsweise ist dieser für schnell laufende PKW oder leichte Nutzfahrzeuge ausgelegt.In the following important components of an internal combustion engine according to the invention are shown in more detail. Preferably, this is designed for fast-running cars or light commercial vehicles.
In
Der in
Typischerweise weist der Verbrennungsmotor vier bis sechs Zylinder auf.Typically, the engine has four to six cylinders.
Die Kolbenmulde
Die Kolbenmulde
Das Verhältnis von Muldenranddurchmesser zu Kolbenranddurchmesser ist > 0,55, vorzugsweise > 0,58, 0,60, 0,62, 0,65, 0,70 oder 0,80, was zu einer größeren freien Einspritzlänge und einer verbesserten Gemischaufbereitung führt.The ratio of bowl rim diameter to piston rim diameter is> 0.55, preferably> 0.58, 0.60, 0.62, 0.65, 0.70 or 0.80, resulting in a greater free injection length and improved mixture preparation.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bei einer zu 90% gefüllten Kolbenmulde
Die in
Der maximale Muldeninnendurchmesser ist vorzugsweise höchstens 15%, 10%, 8%, 6%, 4%, 3% oder 1% größer als der Muldenrand - Durchmesser
Der oder die Zylinder weisen eine Bohrung von weniger als 110 mm auf. Bevorzugt kann die Bohrung auch ≤ als 100 mm, 95 mm oder 90 mm betragen. Das Einzelzylindervolumen beträgt weniger als 0,8 l vorzugsweise < als 0,7l oder 0,6l.The cylinder or cylinders have a bore of less than 110 mm. Preferably, the bore can also be ≤ than 100 mm, 95 mm or 90 mm. The single cylinder volume is less than 0.8 l, preferably <0.7 l or 0.6 l.
Ferner ist der Zylinder mit einem Einspritzsystem zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder verbunden. Das Einspritzsystem ist in Common-Rail-Technik ausgebildet mit dem Kraftstoff mit bis zu 1800 bar in den Zylinder eingespritzt wird. Es versteht sich, dass die Erfindung auch mit anderen Einspritzsystemen und/oder höheren Einspritzdrücken arbeitet.Further, the cylinder is connected to an injection system for direct fuel injection into the cylinder. The injection system is designed in common-rail technology with which fuel is injected into the cylinder at up to 1800 bar. It is understood that the invention also works with other injection systems and / or higher injection pressures.
Das Einspritzsystem umfasst zur Gewährleistung einer hohen Homogenität des Gemischs und geringen Rußbildung während des Dieselverbrennungsprozesses einen Injektor mit einem Düsensitz und einem Düsenelement mit mehr als 7 Löchern. Vorzugsweise weist der Injektor eine Lochzahl von > = 8, 9, 10, 12 oder 14 auf. Der Injektor ist vorzugsweise zentrisch zur Kolbenmulde angeordnet.The injection system includes an injector with a nozzle seat and a nozzle element with more than 7 holes to ensure high homogeneity of the mixture and low soot formation during the diesel combustion process. Preferably, the injector has a number of holes of> = 8, 9, 10, 12 or 14. The injector is preferably arranged centrically to the piston recess.
Bei einem Injektor mit 8 Lochdüse ist ein Lochdurchmesser von 0,123 mm bevorzugt. Die größere Lochanzahl ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum und damit eine Emissonsreduzierung bei möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch.For an 8-hole nozzle injector, a hole diameter of 0.123 mm is preferred. The larger number of holes allows a more even distribution of the fuel in the combustion chamber and thus a emission reduction with the lowest possible fuel consumption.
Der Injektordurchfluss ist an die Lochzahl angepasst. Vorzugsweise ist für eine Lochzahl > 7 der Durchfluss DDF am Kraftstoff durch den Injektor innerhalb von 30 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar bestimmt durch DDF = (-230 +70*L) *(1+-0,20), wobei die Lochzahl mit L bezeichnet ist.The injector flow rate is adjusted to the number of holes. For a hole number> 7, the flow rate DDF at the fuel through the injector is preferably determined within 30 seconds at an injection pressure of 100 bar by DDF = (-230 + 70 * L) * (1 + -0.20), the number of holes is denoted by L.
Bei der Vermessung des Durchfluss des Injektors wird nur der Düsensitz vermessen ohne Düsenelement.When measuring the flow rate of the injector, only the nozzle seat is measured without a nozzle element.
Mit dem Zylinder ist eine Einlasseinrichtung für Ladeluft mit zumindest einem Einlasskanal mit einem zugeordneten Einlassventil und eine Auslasseinrichtung für Abgas mit zumindest einem Auslassventil und einem diesem zugeordneten Auslassventil verbunden, wie im weiteren genauer dargestellt wird. Als Ladeluft wird die dem Motor zugeführte Ladung an Frischluft bezeichnet - auch für den Fall eines Motors ohne Turboaufladung oder dergleichen.The cylinder is connected to an inlet device for charge air with at least one inlet channel with an associated inlet valve and an outlet device for exhaust gas with at least one outlet valve and an associated outlet valve, as will be shown in more detail below. The charge air is the charge of fresh air supplied to the engine - even in the case of an engine without turbocharging or the like.
Bei dem erfindungsgemäßen Motor weist die Einlasseinrichtung zumindest einen Einlasskanal auf, der als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum einen Drall (Swirl) erhält - eine Verwirbelung der Ladeluft mit einer im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse orientierten Drehachse. Als Einlassströmung wird die während der Ansaugphase in den Zylinder einströmende Ladeluft bezeichnet.In the engine according to the invention, the inlet device has at least one inlet channel, which is designed as a swirl channel with an associated swirl channel valve, the inlet flow into the combustion chamber receives a swirl - a turbulence of the charge air with a substantially parallel to the cylinder axis oriented axis of rotation. When Inlet flow is the charge air entering the cylinder during the intake phase.
Der Drall der Einlassströmung in den Brennraum unterstützt die Gemischaufbereitung und kann die kinetische Energie im Zylinder erhöhen, was zu einer beschleunigten Verbrennung beitragen kann. Da der Drall die Zündverzögerung bei der Verbrennung verlängert, vermindert er den Auftrag von Kraftstoff auf die Zylinderwände und damit die Bildung von Kohlenwasserstoffen und Russ. Andererseits führt ein niedriger Drall zu geringeren Wärmeverlusten, einem besseren Wirkungsgrad vor der Zündung und zu niedrigeren NOx-Emissionen. Daher kann mehr oder weniger Drall günstig für die Partikel- und NOx - Emissionen sein. Die Erfindung zielt auf die Optimierung des Dalls der Einlassströmung zur Verminderung von Rußbildung bei niedriger NOx-Bildung.The swirl of intake flow into the combustion chamber aids in mixture preparation and can increase the kinetic energy in the cylinder, which can contribute to accelerated combustion. As the swirl extends the ignition delay during combustion, it reduces the application of fuel to the cylinder walls and thus the formation of hydrocarbons and soot. On the other hand, low swirl results in lower heat losses, better pre-ignition efficiency, and lower NOx emissions. Therefore, more or less swirl can be beneficial for particulate and NOx emissions. The invention aims at optimizing the inlet flow din to reduce soot formation with low NOx formation.
Der Drall der Einlassströmung wird durch die Geometrie des Einlasskanals und des Einlassventils bestimmt; bei mehr als einem Einlasskanal durch die Geometrie der Einlasskanäle und der Einlassventile die jeweils von Ladeluft durchströmt werden. Zur Erreichung eines vorgegebenen Dralls werden die Geometrie von Einlasskanal und zugeordnetem Einlassventil mittels an sich bekannter Optimierungsverfahren festgelegt.The swirl of the intake flow is determined by the geometry of the intake port and the intake valve; in the case of more than one inlet channel, the geometry of the inlet channels and of the inlet valves, through which charge air flows in each case. To achieve a given twist, the geometry of inlet channel and associated inlet valve are determined by means of known optimization methods.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor eine Einlasseinrichtung mit einen Drallkanal und einen Füllkanal auf, wobei der Füllkanal für Ladeluft betriebspunktabhängig geöffnet oder geschlossen werden kann.In a preferred embodiment, the internal combustion engine according to the invention has an inlet device with a swirl channel and a filling channel, wherein the filling channel for intercooling can be opened or closed operating point-dependent.
In
Drallkanal
In
Bei dem in den
Der Füllkanal
Das Drallkanalventil ist erfindungsgemäß ausgebildet zur Anhebung des Dralls bei geringem Ventilhüben, wie beispielhaft in
Zur Anhebung des Dralls bei niedrigem Ventilhub weist der Ventilsitz eine, vorzugsweise in Bezug auf eine vertikale Ventilachse asymmetrische, Bearbeitung auf; beispielsweise in der Art einer Maskierung oder Abschirmung, wodurch der Luftmassenstrom zu Beginn des Ventilhubs in eine definierte Richtung gelenkt wird.To increase the twist at low valve lift, the valve seat has a, preferably asymmetric with respect to a vertical valve axis, machining; For example, in the manner of a masking or shielding, whereby the air mass flow is directed at the beginning of the valve lift in a defined direction.
Bei einem Ventil mit Abschirmung wird durch ein Abschirmblech am Ventil die definierte Strömungsrichtung vorgegeben; vergleiche linke Seite von
Die rechte Seite von
In beiden Fällen muss der Luftmassenstrom bei kleinen Ventilhüben (in einem Bereich von 2mm bis 4mm oder 50% des maximalen Ventilhubs Vhm) durch den Spalt
Im Rahmen der Erfindung wird der Drall der Einlassströmung durch die ventilabhängige
In
- • Mz -Drehmoment an der Wabe
- • RZyl -Zylinderradius
- • V-Volumenstrom durch den Zylinder
- • pL -Dichte der Luft im Zylinder
- • M z torque at the honeycomb
- • R Cyl cylinder radius
- • V-volume flow through the cylinder
- • p L density of the air in the cylinder
Im Gegensatz zu dem Drallmoment
Die relativ große Kolbenmulde hat den Vorteil einer besseren Füllung mit Ladeluft und eine geringere thermische Belastung des Kolbens, bedingt jedoch eine Abnahme des Dralls gegenüber einer relativ kleineren Kolbenmulde. Dieser Abnahme des Dralls wird erfindungsgemäß entgegengewirkt.The relatively large piston recess has the advantage of a better charge with charge air and a lower thermal load of the piston, but causes a decrease in the twist compared to a relatively smaller piston recess. This decrease in the twist is counteracted according to the invention.
Erfindungsgemäß weist der Verbrennungsmotor eine Einlassströmung mit Drallanhebung bei niedrigen Ventilhüben auf, wobei vorgesehen ist dass
- die Einlassströmung bei zumindest einem Ventilhub Vh zwischen 2 mm und Vhh = 0.5*Vhm eine Drallanhebung mit einer ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D mit einen Wert > 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 aufweist, wobei Vhm den maximalen Ventilhub, insbesondere mit einem Wert Vhm=8mm bezeichnet,
- die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0.5*Vhm eine Drallanhebung mit einer normierten integralen Tippelmann-Drallzahl Di mit einen Wert > 0,40/mm, 0,50/
mm oder 0,60/mm aufweist oder - die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh= 2 mm und Vhh=0,5Vhm eine Drallanhebung aufweist, derart dass bei einer Vermessung der ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D in
0,5 mm die gemittelte Tippelmann - Drallzahl Dm für mindestens ein Ventilhubintervall DeltaV= 1mm einen Wert ≥ 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 aufweist.Abständen von
- the inlet flow at at least one valve lift Vh between 2 mm and Vhh = 0.5 * Vhm a swirl increase with a valve lift-dependent Tippelmann swirl number D with a value>0.3;0.4;0.5;0.6; 0.7, wherein Vhm denotes the maximum valve lift, in particular with a value Vhm = 8 mm,
- the inlet flow in a valve lift range between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 * Vhm has a swirl lift with a normalized integral Tippelmann swirl Di having a value> 0.40 / mm, 0.50 / mm or 0.60 / mm or
- the inlet flow in a Ventilhubbereich between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5Vhm has a swirl increase, so that in a measurement of valve lift-dependent Tippelmann swirl number D at intervals of 0.5 mm, the average Tippelmann swirl number Dm for at least one Ventilhubintervall DeltaV = 1mm a value ≥ 0.4; 0.5; 0.6; 0.7.
Einlassströmungen von Verbrennungsmotoren mit Selbstzündung mit vergleichbar relativ großer Kolbenmulde im Stand der Technik haben für kleine Ventilhübe (Bereich von 2mm bis 5mm oder Bereich von 2mm bis 50% von Vhm) eine ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D mit einen Wert um 0,2.Inlet flows of compression ignition internal combustion engines having a relatively large piston recess in the prior art have a valve lift dependent Tippelmann swirl number D with a value around 0.2 for small valve strokes (range of 2mm to 5mm or range of 2mm to 50% of Vhm).
Vorteilhaft weist bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor die Einlassströmung in einen Bereich kleiner Ventilhübe eine Drallanhebung auf, sodass in diesem Ventilhubbereich eine definitive hohe Drallausrichtung der Einlassströmung aufrecht erhalten wird, die bei einem Kolben mit einer relativ großen Kolbenmulde mit einem Verhältnis von Muldenranddurchmesser zu Kolbenranddurchmesser > 0,55 es erlaubt sowohl eine niedrige Partikel - als auch NOx-Rohemissionen zu erreichen.Advantageously, in the internal combustion engine according to the invention, the inlet flow in a range of small valve strokes on a swirl lift, so that in this valve lift a definite high swirl orientation of the inlet flow is maintained, in a piston with a relatively large piston bowl with a ratio of bowl rim diameter to piston rim diameter> 0, It allows both low particulate and raw NOx emissions to be achieved.
Die
In
Der maximale Ventilhub hat einen Wert von 8mm, kann aber selbstverständlich auch einen davon verschiedenen Wert haben.The maximum valve lift has a value of 8mm, but can of course also have a different value.
Erkennbar ist, dass die Einlassströmung gemäß Kurve
Bevorzugt sind in Rahmen der Erfindung ferner Werte der Drallzahl > 2; 3; 4 im Ventilhubbereich 2mm bis 5mm.Values of the swirl number> 2; 3; 4 in the valve lift range 2mm to 5mm.
Ferner kann die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0.5Vhm eine Drallanhebung mit einer normierten integralen Tippelmann-Drallzahl Di mit einen Wert > 0,40/mm aufweisen. Als normierte integrale Tippelmann - Drallzahl wird das Integral von über ein Ventilhub - Intervall dividiert durch die Intervalllänge bezeichnet.Further, in a valve lift range between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5Vhm, the intake flow may have a swirl increase with a normalized integral Tippelmann swirl number Di having a value> 0.40 / mm. The integral integral Tippelmann swirl number is the integral of a valve lift interval divided by the interval length.
Ferner kann die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh= 2 mm und Vhh=0,5Vhm eine Drallanhebung aufweisen, derart dass bei einer Vermessung der ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D in Abständen von 0,5 mm die mittlere Tippelmann - Drallzahl Dm für mindestens ein Ventilhubintervall DeltaV= 1mm einen Wert ≥ 0,4 aufweist.Further, the inlet flow in a Ventilhubbereich between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5Vhm have a swirl increase, such that in a measurement of Ventilhubabhängigen Tippelmann swirl number D at intervals of 0.5 mm the average Tippelmann swirl number Dm has a value ≥ 0.4 for at least one valve lift interval DeltaV = 1 mm.
In
Die Einlassströmung gemäß Kurve
Erfindungsgemäß ist ferner ein hoher Drall D von mehr als 0,4 auch bei maximalem Ventilhub vorgesehen um damit die Gemischaufbereitung weiter zu verbessern. Der hohe Drall bei maximalem Ventilhub wird vorzugsweise durch Auslegung des Drallkanals erreicht.According to the invention, a high twist D of more than 0.4 is also provided at maximum valve lift in order to further improve the mixture preparation. The high swirl at maximum valve lift is preferably achieved by designing the swirl duct.
Neben dem Drallzahl ist der Durchfluss durch das oder die Einlassventile eine wichtige Größe zur Charakterisierung der Einlassströmung.In addition to the swirl number, the flow through the inlet valve (s) is an important parameter for characterizing the inlet flow.
Der ventilhubabhängige Durchflusskoeffizient αk charakterisiert die Einströmung in den Zylinder durch das oder die Einlassventile, das heißt die Durchlässigkeit des Ventils, wobei man einen tatsächlich durchgesetzten Luftmassenstrom auf einen theoretisch möglichen Luftmassenstrom bezieht, wie beispielsweise in der Veröffentlichung C. Kopp, Variable Ventilsteuerung für PKW-Dieselmotoren mit einer Direkteinspritzung, Magdeburg
α k für einen Zylinder kann gemäß der folgenden Formel ermittelt werden.
- • mtats -tatsächlicher Luftmassenstrom [kg/s]
- • mtheor -theoretischer Luftmassenstrom [kg/s]
- • Azyl -Querschnittsfläche des Messzylinders [m2]
- • cs -Strömungsgeschwindigkeit bei isentroper Durchströmung [m/s]
- • ps -Luftdichte im Zylinder bei isentroper Durchströmung [kg/m3]
- • RL -spezielle Gaskonstante für Luft [J/(kg·K)]
- • T -Temperatur [K]
- • κ -Isentropenexponent [-]
- • pnach -Druck nach Ventil [Pa]
- • pvor -Druck vor Ventil [Pa]
- • m tats -tatsächlicher air mass flow [kg / s]
- • Theoretical mass air flow [kg / s]
- • A cyl cross- sectional area of the measuring cylinder [m 2 ]
- • c s flow velocity at isentropic flow [m / s]
- • p s- air density in the cylinder during isentropic flow [kg / m 3 ]
- • R L -special gas constant for air [J / (kg · K)]
- • T temperature [K]
- • κ-isotropic exponent [-]
- • p after pressure after valve [Pa]
- • pre- pressure before valve [Pa]
Der Druck vor dem Ventil pvor entspricht in den obigen Gleichungen dem Umgebungsdruck. Nach dem Ventil ist der im Messzylinder herrschende Druck pnach durch den Verdichter des Prüfstandes vorgegeben. Bei der Messung wird eine konstante Druckdifferenz von 50hPa eingestellt.The pressure before the valve p before corresponds to the ambient pressure in the above equations. After the valve the pressure prevailing in the measuring cylinder pressure p is given by by the compressor of the test stand. During the measurement a constant pressure difference of 50hPa is set.
Bei der Auslegung der Einlasskanäle und der Einlassventile wird vorzugsweise einem Zielkonflikt zwischen hohem Drall für eine gute Gemischaufbereitung und einer hohen Durchlässigkeit des Ventils für eine gute Zylinderfüllung Rechnung getragen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass bei geringen Ventilhüben eine Drallanhebung und bei maximalem Ventilhub ein hoher Durchfluss vorgesehen ist.When designing the intake ports and the intake valves, it is preferable to take into account a trade-off between high swirl for good mixture preparation and high valve permeability for good cylinder charge. This is achieved by providing a swirl increase at low valve lifts and a high flow at maximum valve lift.
In
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Motor bei 8 mm Ventilhub der Durchflusskoeffizient > 0,04. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist der Durchflusskoeffizient αk > 0,045 oder 0,005 bei 8 mm Ventilhub. Damit wird bei der Erfindung ein hoher Drall bei kleinen Ventilhüben mit einem hohen Durchflussflusskoeffizienten bei großen bzw. maximalen Ventilhub kombiniert.Preferably, with the engine according to the invention at 8 mm valve lift, the flow coefficient is> 0.04. In further embodiments of the invention, the flow coefficient αk is> 0.045 or 0.005 at 8 mm valve lift. Thus, in the invention, a high swirl is combined with small valve strokes with a high flow coefficient at large or maximum valve lift.
Die
In
In einer weiteren Ausführungsform weist die Drallzahl bei 8mm Ventilhub einen Wert von maximal 0,6 auf.In a further embodiment, the swirl number at 8 mm valve lift has a maximum value of 0.6.
Die Kurve
Die Erfindung ermöglicht es, betriebspunktabhängig bei konstanter NOx- Roh -Emission die Ruß -Roh-Emissionen in Abhängigkeit von einer Öffnungsstellung einer Drallklappe einzustellen.The invention makes it possible to adjust the soot-carbon emissions as a function of an opening position of a swirl flap depending on the operating point with a constant NOx crude emission.
In
Die hier eingesetzte Einlasseinrichtung weist dabei einen Drallkanal und einen Füllkanal auf, wobei der Füllkanal mit einer Drallklappe versehen ist. Die Drallklappe kann, vorzugsweise stufenlos in verschiedene Öffnungsstellungen geschaltet werden, wobei bei einer Stellung von 90° die Drallklappe geschlossen und bei einer Öffnungsstellung von 0° voll geöffnet ist. Zwischenpositionen von 60° und 40° sind bevorzugt.The inlet device used here has a swirl channel and a filling channel, wherein the filling channel is provided with a swirl flap. The swirl flap can, preferably continuously be switched to different open positions, wherein at a position of 90 °, the swirl flap is closed and fully open at an open position of 0 °. Intermediate positions of 60 ° and 40 ° are preferred.
Die Kurve
In
In
Die
Der Verbrennungsmotor mit Selbstzündung kann daher, wenn das Drallkanalventil eine Bearbeitung zur Drallanhebung bei kleinen Ventilhüben aufweist mittels unterschiedlicher Öffnungsstellungen der Drallklappe so betrieben werden, dass in einem Betriebspunkt von 1500 l/Min. und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar und einer konstanten NOx-Rohemission von < als 0,7 g/kWh eine Rußzahl von <0,2 FSN (dies entspricht von Rußemissionen von < als 0,2 g/kWh) eingestellt wird. Die Drallanhebung besteht vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2mm und 4mm, ggfs. mit Drallwerten sowie Durchflusskoeffizienten wie in Zusammenhang mit den
Ferner ist vorgesehen, dass in einem Betriebspunkt mit 2000 l/Min. und 5 bar effektiven Mitteldruck und einer NOx-Rohemission von < als 1,2 g/kWh eine Rußzahl eine Rußzahl FSN von < als 0,8 (entsprechend Rußemissionen von < als 0,1 g/kWh) eingestellt wird und/oder in einem Betriebspunkt bei 2000 1/Min. und 8 bar effektiven Mitteldruck und einer konstanten NOx-Rohemission von weniger als 1,5 g/kWh eine Rußzahl < 1FSN (entsprechend Rußemissionen von weniger als 0,2 g/kWh) eingestellt wird.It is also envisaged that at an operating point of 2000 l / min. and 5 bar effective mean pressure and a raw NOx emission of <than 1.2 g / kWh soot a soot number FSN of <0.8 (corresponding to soot emissions of <than 0.1 g / kWh) is set and / or in one Operating point at 2000 1 / min. and 8 bar effective mean pressure and a constant NOx raw emission of less than 1.5 g / kWh a soot number <1FSN (corresponding to soot emissions of less than 0.2 g / kWh) is set.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 102102
- Motorblockblock
- 103103
- Einlasseinrichtungintake means
- 104104
- Einspritzsysteminjection
- 105105
- Auslasseinrichtungoutlet
- 106106
- Abgassystemexhaust system
- 107107
- Partikelfilterparticulate Filter
- 107a107a
- Katalysatorcatalyst
- 108108
- AbgasrückführsystemExhaust gas recirculation system
- 109109
- AbgasrückführventilExhaust gas recirculation valve
- 110110
- AbgasrückführkühlungExhaust gas recirculation cooling
- 111111
- KühlkreislaufCooling circuit
- 115115
- Turboladerturbocharger
- 116116
- LadeluftkühlerIntercooler
- 201201
- Kolbenkopfpiston head
- 202202
- Oberfläche des KolbenkopfsSurface of the piston head
- 203203
- MuldenranddurchmesserBowl rim diameter
- 204204
- KolbendurchmesserPiston diameter
- 205205
- Kühlkanalcooling channel
- 206206
- Kolbenmuldepiston bowl
- 207207
- Muldenkonturdepression contour
- 208208
- Muldenrandbowl edge
- 209209
- Kolbenachsepiston axis
- 301301
- Drallkanalswirl channel
- 302302
- Füllkanalfilling channel
- 303303
- Drallklappeswirl flap
- 304304
- Luftstrom-DrallkanalAirflow swirl channel
- 305305
- Luftstrom FüllkanalAir flow filling channel
- 306306
- Zylindercylinder
- 307307
- VentilValve
- 308308
- VentilValve
- 310310
- Einlasseinrichtungintake means
- 315315
- Ventilsitzvalve seat
- 316316
- Ventilsitzvalve seat
- 317317
- Spaltgap
- 401401
- Tippelmann-MessstandTippelmann Measuring Stand
- 402402
- Zylindercylinder
- 403403
- Wabehoneycomb
- 404404
- Einlasskanalinlet channel
- 405405
- VentilValve
- 406406
- Drallströmungswirl flow
- 407407
- Zylinderachsecylinder axis
- 501501
- KurveCurve
- 502502
- KurveCurve
- 601601
- KurveCurve
- 602602
- KurveCurve
- 701701
- KurveCurve
- 702702
- KurveCurve
- 801801
- KurveCurve
- 802802
- KurveCurve
- 901901
- KurveCurve
- 902902
- KurveCurve
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