DE102007053891B4

DE102007053891B4 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung

Info

Publication number: DE102007053891B4
Application number: DE102007053891.1A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Bernd Hahne; Robin van Haelst
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2027-11-10
Also published as: DE102007053891A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung mit einem Motorblock mit zumindest einem Zylinder und einem diesem zugeordneten Kolben, einer Injektoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Löchern zur Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder sowie einer Einlasseinrichtung für Ladeluft mit zumindest einem Einlasskanal und einem zugeordneten Einlassventil und einer Auslasseinrichtung für Abgas mit zumindest einem Auslasskanal und einem zugeordneten Auslassventil, 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, der Einlasskanal als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum einen Drall erhält, für zumindest einen ausgewählten Zylinder die Zylinderbohrung < 110mm und der Injektor eine Lochzahl L > 8 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für den ausgewählten Zylinder das Einlassventil einen bearbeiteten Ventilsitz aufweist, wodurch bei einem Einkanalbetrieb der Luftmassenstrom zu Beginn des Ventilhubs in eine definierte Richtung gelenkt wird und die Einlassströmung bei einem kleinem Ventilhub eine Drallanhebung aufweist, für den ausgewählten Zylinder der Drallkanal derart ausgelegt ist, dass bei dem Einkanalbetrieb die Einlassströmung im Bereich maximalen Ventilhubs einen hohen Drall aufweist und dass bei dem Einkanalbetrieb die Einlassströmung in einem Bereich zwischen kleinem Ventilhub und maximalem Ventilhub der Drall ein relatives Minimum mit einem Wert aufweist, der mindestens 25% unter dem Wert des Dralls bei kleinem Ventilhub liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit verringerter Ruß- und Stickoxidemissionen (NOx).
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.
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.
Aus der DE 36 12 029 A1 ist bereits eine luftverdichtende Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt. Mit einer im Kolbenbogen annähernd zentrisch angeordneten rotationssymmetrischen Brennraummulde, eine Einspritzvorrichtung die eine in die Brennraummulde einspritzende Einspritzdüse mit mindestens vier Spritzlöchern aufweist und mit einer eine Drehbewegung der in die Brennraummulde eintretenden Ladeluft erzeugenden Einlasseinrichtung. Der Durchmesser der Brennraummulde beträgt dabei mehr als 55 % des Zylinderdurchmessers. Die durch die Einlasseinrichtung erzeugte Drehbewegung der Ladeluft weist eine nach dem Flügelradverfahren ermittelte Drallzahl von etwa 1,5 bis 2,5 auf, wobei die Einspritzvorrichtung für eine Förderrate von 5 bis 15 mm³/Gradkurbelwinkel und im Druckraum der Einspritzdüse herrschende Einspritzdrücke von 500 bis 200 bar ausgelegt ist. Ziel der angegebenen Maßnahmen ist es, eine Erhöhung der Leistungsausbeute, eine Verminderung der Rauemissionen und der Emissionen an gasförmigen Abgaskomponenten, eine Geräuschverringerung und eine Entlastung der mechanisch hochbeanspruchten Maschinenteile zu erreichen. Allerdings ist es mit diesen bekannten Maßnahmen nicht möglich die Grenzwerte der Euro5-Abgasnorm für Stickoxide und Partikel (PM) für Diesel-Pkw zu erreichen.
Aus dem Dokument Bauder: Der neue Audi 4,2-l-V8-TDI-Motor (MTZ, 11/2005, S. 898–907 – ISSN 0024-8525 10814) ist bereits ein Verbrennungsmotor mit Selbstzündung mit einem Motorblock mit zumindest einem Zylinder und einem diesem zugeordneten Kolben mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs bekannt.
Aus der DE 196 11 362 C1 ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine bekannt mit mindestens zwei Einlasskanälen pro Zylinder, die unterschiedliche Drallzahlen haben und von Einlassventilen gesteuert werden. Um einen Zylinderkopf mit einer Einlasskanalordnung zu schaffen, mit der ein hoher Drall über den gesamten Einlassvorgang erreicht wird, wird vorgeschlagen, dass das erste Einlassventil, das einem Einlasskanal mit einer hohen Drallzahl zugeordnet ist, einen kleineren Ventilhub hat als das zweite Einlassventil, das einem Einlasskanal mit einer niedrigeren Drallzahl zugeordnet ist.
Aus der EP 0 771 941 A1 ist ein Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen bekannt, mit Einlass- und Auslassventilen für die Zylinder versehen. Zur Strömungsbeeinflussung beim Eintritt der Verbrennungsluft in den Brennraum ist im Bereich des Ventilsitzes für das Einlassventil eine Anfasung vorgesehen, durch die eine Drallströmung um die Zylinderhochachse erzeugt wird. Um bei Brennkraftmaschinen mit je zwei Einlassventilen pro Zylinder eine Drallströmung zu erzeugen, wobei sich beide aus den Einlassventilen in den Brennraum eintretenden Verbrennungsluftströme bezüglich ihres Dralls unterstützen, ist an dem in Drallrichtung gesehen vorderen Einlassventil eine exzentrische, sichelförmige Anfasung vorgesehen, die sich im Wesentlichen zur Zylindermitte hin erstreckt. Das andere, in Drallrichtung gesehen nachgeordnete Einlassventil weist an ihrem der Zylindermitte benachbarten Bereich des Ventilsitzes eine Sitzabdeckung auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher bei einem Verbrennungsmotor mit Selbstzündung eine Verbesserung der Einlassströmung zur Reduzierung der Rohemissionen von Stickoxiden und Rußpartikeln zu erreichen, so dass diese möglichst nahe an die durch die Euro-Norm 5 festgelegten jeweiligen Grenzwert kommen und bei einem Kraftfahrzeug mit einem im Abgassystem angeordneten Partikelfilter die EU5 Grenzwerte der End-Pipe-Emissionen erreicht oder unterschritten werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotor mit Selbstzündung mit einem Motorblock mit zumindest einem Zylinder und einem diesen zugeordneten Kolben, einer Injektoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Löchern zur Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder sowie einer
Einlasseinrichtung für Ladeluft mit zumindest einem Einlasskanal und einem zugeordneten Einlassventil und einer
Auslasseinrichtung für Abgas mit zumindest einem Auslasskanal und einem zugeordneten Auslassventil,
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,
der Einlasskanal als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum einen Drall erhält,
für zumindest einen ausgewählten Zylinder die Zylinderbohrung < 110mm und
der Injektor eine Lochzahl L > 8 aufweist,
zeichnet sich dadurch aus, dass
für den ausgewählten Zylinder das Einlassventil einen bearbeiteten Ventilsitz aufweist, wodurch bei einem Einkanalbetrieb der Luftmassenstrom zu Beginn des Ventilhubs in eine definierte Richtung gelenkt wird und die Einlassströmung bei einem kleinem Ventilhub eine Drallanhebung aufweist,
für den ausgewählten Zylinder der Drallkanal derart ausgelegt ist, dass bei dem Einkanalbetrieb die Einlassströmung im Bereich maximalen Ventilhubs einen hohen Drall aufweist und
dass bei dem Einkanalbetrieb die Einlassströmung in einem Bereich zwischen kleinem Ventilhub und maximalem Ventilhub der Drall ein relatives Minimum mit einem Wert aufweist, der mindestens 25% unter dem Wert des Drall bei kleinem Ventilhub liegt.
Die für die geringe Zylinderbohrung hohe Lochzahl L von L > 8 ermöglicht reduzierte Rußemissionen auch bei kleinen schnell laufenden Motoren mit einer Nenndrehzahl von mehr als 3100 1/min.
Bevorzugt kann die Bohrung auch < als 100 mm, 95 mm oder 90 mm betragen.
Das Einspritzsystem umfasst einen Injektor mit mehr als 8 Löchern. Vorzugsweise weist der Injektor eine Lochzahl von >= 9, 10, 12, 13 oder 14 auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich im Betriebspunkt 2000 1/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 Verbrennungsmotor in dem 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.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann erreicht werden, dass ein Kraftfahrzeug 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 aufweist. Vorzugsweise erreicht 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.
Ein derartig betriebenes Fahrzeug erreicht oder unterschreitet bei Einsatz eines Partikelfilters die Abgasgrenzwerte der neuen europäischen Norm EU5.
Bevorzugt ist ein Verbrennungsmotor, bei dem mit 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.
Besonders günstig ist es, wenn bei mit einem auf einen Kreis normierten Muldenrand das Produkt aus (Verhältnis von Muldenranddurchmesser zu Kolbendurchmesser)·Lochzahl L > 4 ist, da dies eine optimale Strahleindringtiefe bei der Kraftstoffeinspritzung ermöglicht. Ferner ist es günstig, wenn das genannte Produkt > 4,5; 5; 6; 7; 8 oder 10 ist.
Bei einem leistungsoptimierten Konzept des Verbrennungsmotors ist es vorteilhaft, wenn dieser eine spezifische Leistung von mehr als 50kW/Liter Hubraum aufweist. Günstig sind auch spezifische Leistungen vom mehr 60/70/80kW/Liter Hubraum.
Bei einem emissionsoptimierten Konzept des Verbrennungsmotors ist es vorteilhaft, wenn dieser eine spezifische Leistung von weniger als 50kW/Liter Hubraum aufweist.
Bevorzugt ist ein Betrieb mit einem Verfahren bei der für zumindest einen ausgewählten Zylinder bei Ein-Kanalöffnung
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 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.
Bei Einkanalöffnung erfolgt lediglich über den Drallkanal eine Zufuhr von Ladeluft in den Brennraum.
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.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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.
Es zeigen
1: einen Verbrennungsmotor mit Selbstzündung,
2: einen Kolbenkopf mit Kolbenmulde,
3a und 3b: Drall- und Füllkanäle einer Einlasseinrichtung mit Drallklappe,
3c: 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,
10–12: Rußemissionen in Abhängigkeit von Öffnungsstellungen einer Drallklappe.
In 1 ist ein PKW-Verbrennungsmotor 101 mit Selbstzündung (Dieselmotor) dargestellt mit dem es gelingt sowohl niedrige Ruß (Partikel) – als auch NOx-Roh – Emissionswerte zu erreichen. Der Motor wird vorzugsweise mit Kraftstoff nach DIN EN 590 betrieben.
Es versteht sich, dass in anderen, in der 1 nicht dargestellten Ausführungsbeispielen bestimmte Komponenten, die in 1 dargestellt sind, fehlen oder auch weitere Komponenten hinzukommen können, ohne das der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Der in 1 gezeigte selbstzündende Verbrennungsmotor 101 weist einen Motorblock 102, vier Zylindern (nicht mit Bezugszeichen versehen), einer Einlassrichtung 103 für Ladeluft, einem als Common-Rail ausgebildeten Einspritzsystem 104 zur Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder sowie einer Auslasseinrichtung 105 für Abgas auf. An die Auslasseinrichtung 105 ist ein Abgassystem 106 mit einem Dieselpartikelfilter 107 angeschlossen. Stromauf des Dieselpartikelfilters 107 ist ein Oxidationskatalysator 107a angeordnet, der jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung fehlen kann.
Der Dieselpartikelfilter 107 hält die bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffes entstehenden Rußpartikel zurück. Bevorzugt arbeitet der Partikelfilter 107 ohne den Zusatz von Additiven; es ist jedoch auch der Einsatz von Partikelfiltern, die Additive erfordern denkbar. Der Partikelfilter besteht aus einem porösen Keramikbauteil mit einer edelmetallhaltigen Beschichtung. Um die Durchgängigkeit des Filters auf Dauer zu gewährleisten, müssen die im Filter abgelagerten Partikel durch passive und/oder aktive Regeneration entfernt werden. Mit Wandstromfiltern können heute hohe Abscheideraten von 95 % und mehr der gesamten Partikelmasse bei einer geringen Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Ähnlich hohe Werte werden mit Durchflussfiltern erreicht bei denen eine über 90 %ige Senkung der Partikelzahl erreicht werden kann.
Das Abgassystem ist mit einem Abgasrückführsystem (AGR) mit einem AGR-Ventil 109 und einer AGR-Kühlung 110 verbunden, wobei die Abgasrückführkühlung 110 mit einem Niedertemperaturölkreislauf versehen ist. Mit dem Abgassystem ist ferner ein Turbolader 115 verbunden. Stromab des Verdichters des Abgasturboladers 115 ist ein Ladeluftkühler angeordnet.
Es versteht sich, dass zur Erfüllung strenger Abgasnormen, die verschiedenen in 1 gezeigten Komponenten aufeinander abgestimmt werden müssen.
Im Folgenden werden wichtige Komponenten eines Verbrennungsmotors genauer dargestellt. Vorzugsweise ist dieser für schnell laufende PKW oder leichte Nutzfahrzeuge ausgelegt.
In 2 ist ein Kolbenkopf 201 eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung schematisch dargestellt, wobei in der Oberfläche 202 des Kolbenkopfs 201 eine durch eine Ausnehmung gebildete Kolbenmulde 206 angeordnet ist. Die Mulde 206 wird durch eine den Wandbereich bildende Muldenkontur 207 definiert, die sich in die Kolbenoberfläche 202 ausgehend vom Kolbenrand 208 erstreckt. Als Muldenrand 208 wird der äußerste Bereich der Kolbenmulde 206 verstanden, während als Muldenrand-Durchmesser der Querschnittsdurchmesser der Mulde 206 an der Stelle, an der die Muldenkontur 207 eine Steigung 1 aufweist bezeichnet wird. An dieser Stelle ist die Muldenkontur 207 parallel zur Kolbenachse 209.
Der in 2 dargestellte Kolbenkopf 201 ist im Betrieb des Verbrennungsmotors in einem in der Figur nicht dargestellten Zylinder angeordnet, in dem sich der Kolben hin und her bewegt und derart mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist, dass der Kolben eine Bewegung mit einer Umkehr an einer oberen und unteren Totpunktlage ausführt. Der Zylinder weist einen Zylinderkopf auf, der mit dem Kolbenkopf Innenflächen eines Brennraumes, in den Kraftstoff eingespritzt wird, bildet. Der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff bildet mit verdichtetem Gas ein Kraftstoff-Gasgemisch, dass durch im Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugte Kompressionswärme gezündet wird.
Typischerweise weist der Verbrennungsmotor vier bis sechs Zylinder auf.
Die Kolbenmulde 206 weist einen Bereich der Kontur 207 mit geringerer Tiefe und einen peripheren Bereich der Kontur 207 mit einer größeren Tiefe, jeweils bezogen auf die Kolbenoberfläche auf, wobei die Erfindung Ausführungsformen mit größeren und kleineren Tiefenunterschieden umfasst.
Die Kolbenmulde 206 kann auch einen nicht kreisförmigen Kolbenrand 208 aufweisen. In diesem Fall wird der Muldenranddurchmesser 203 bei einem auf einen Kreis nominierten Muldenrand definiert.
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.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bei einer zu 90% gefüllten Kolbenmulde 206 bei einer auf einen Kreis nominierten Füllfläche das Verhältnis der Füllfläche zur Kolbenquerschnittsfläche > 0,30. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine relativ große Kolbenmulde mit den entsprechenden oben dargestellten Vorteilen.
Die in 2 gezeigt Kolbenmulde 206 weist in ihren peripheren Wandbereich eine Hinterschneidung auf, das heißt der maximale Kolbeninnendurchmesser ist größer als der Kolbenranddurchmesser 203. In anderen Ausführungsformen der Erfindung weist die Kolbenmulde 206 keine Hinterschneidung auf.
Der maximale Muldeninnendurchmesser ist vorzugsweise höchstens 15%, 10%, 8%, 6%, 4%, 3% oder 1% größer als der Muldenrand-Durchmesser 203. Damit kann eine größere freie Strahllänge des eingespritzten Kraftstoffs erreicht und der Auftrag von flüssigen Kraftstoff auf den peripheren Wandbereich vermindert werden.
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. 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.
Das Einspritzsystem umfasst zur Gewährleistung einer hohen Homogenität des Gemischs und geringen Rußbildung während des Dieselverbrennungsprozesses einen Injektor 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.
Bei einem Injektor mit 8 Loch-Düse ist ein Lochdurchmesser von 0,123 mm bevorzugt. Die größere Lochanzahl ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum und damit eine Emissionsreduzierung bei möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch. 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 = (–240 + 70·L)·(1 +– 0,20), wobei die Lochzahl mit L bezeichnet ist.
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.
Bei dem 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.
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.
Der Drall der Einlassströmung wird durch die Geometrie des Einlasskanals und des Einlasskanals 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. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor eine Einlasseinrichtung mit einem Drallkanal und einem Füllkanal auf, wobei der Füllkanal für Ladeluft betriebspunktabhängig geöffnet oder geschlossen werden kann. In 3a, 3b sind ein Drallkanal 301 und ein Füllkanal 302 einer Einlasseinrichtung für Ladeluft des Verbrennungsmotors dargestellt. Drallkanal 301 und Füllkanal 302 weisen jeweils ein Drallkanalventil 307 bzw. Füllkanalventil 308 auf. Der Füllkanal 302 kann durch eine schaltbare Drallklappe 303 geöffnet und geschlossen werden. Vorzugsweise weist die Drallklappe 303 mindestens zwei Öffnungsstellungen, bevorzugt drei und mehr Öffnungsstellungen auf. Als Öffnungsstellung wird auch die geschlossene Stellung verstanden. Ferner kann die Drallklappe auch stufenlos verstellt werden. In 3a ist die Drallklappe 303 geschlossen, in 3b ist die Drallklappe 303 dagegen offen. Bei geschlossener Drallklappe kann Ladeluft lediglich durch den Drallkanal 301 dem Brennraum zugeführt werden. Bei dem in den 3a, 3b gezeigten Drallkanal 301 handelt es sich um einen Tangentialkanal mit direkter Einströmung. Die Erfindung umfasst jedoch auch Drallkanäle mit anderen Geometrien, wie beispielsweise einen Tangentialkanal mit Ablenkwand oder Spiralkanäle mit flacher oder steiler schraubenförmiger Rampe. Der Füllkanal 302 wird möglichst gradlinig durchströmt, um ein höhere Zylinderbefüllung als durch den Drallkanal 301 zu ermöglichen, in welchem die Luftführung den Durchfluss behindert. Mittels des Drallkanals 302 kann daher bedarfsabhängig der Luftdurchsatz erhöht werden. Der Füllkanal kann jedoch auch als Spiralkanal ausgebildet sein.
Das Drallkanalventil ist erfindungsgemäß ausgebildet zur Anhebung des Dralls bei geringen Ventilhüben, wie beispielhaft in 3c illustriert ist.
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. Bei einem Ventil mit Abschirmung wird durch ein Abschirmblech am Ventil die definierte Strömungsrichtung vorgegeben; vergleiche linke Seite von 3c. Bei kleinem Ventilhub wird in einem Bereich der Peripherie des Ventilsitzes 315 zwischen 30° und 210° ein Spalt 317 gebildet. Die rechte Seite von 3c zeigt einen Ventilsitz, wobei in den Zylinderkopf eine Fase eingearbeitet ist, die im Folgenden als Sitzdrallfase (SDF) bezeichnet wird. Bei kleinem Ventilhub wird in einem Bereich der Peripherie des Ventilsitzes 315 zwischen 30° und 210° ein Spalt 318 gebildet.
In beiden Fällen muss der Luftmassenstrom bei kleinen Ventilhüben, beispielsweise in einem Bereich von 2mm bis 4mm oder 50% des maximalen Ventilhubs Vhm, durch den Spalt 317 bzw. 318 strömen. Vorzugsweise wird der Luftmassenstrom bei kleinen Ventilhüben von der Zylinderwand abgelenkt und damit eine Drehung der Zylinderladung bewirkt.
Im Rahmen der Erfindung wird der Drall der Einlassströmung durch die ventilabhängige Tippelmann-Drallzahl charakterisiert, die auf einem Tippelmann-Prüfstand gemessen werden kann; vgl. J. B. Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals, 1998.
In 4 ist der schematische Aufbau eines Tippelmann-Prüfstandes 401 zur Messung der ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D dargestellt, wobei durch einen Einlasskanal 404 mit einem Einlassventil 405 einströmende Ladeluft dem Inneren des Zylinders 402 zugeführt wird. Eine Drallströmung 406 wird in dem Zylinder 402 über eine Wabe 403 in Richtung der Zylinderachse 407 umgelenkt. Das aus dem Drehimpuls der Drallströmung 406 resultierende Drehmoment MZ wird an der Wabe 403 in Abhängigkeit von dem Ventilhub des Einlassventils 405 gemessen. Aus dem Drehmoment MZ kann über folgende Gleichung die ventilhubabhängige Tippelmann-Drallzahl D berechnet werden.

Mz: – Drehmoment an der Wabe
RZyl: – Zylinderradius
V: – Volumenstrom durch den Zylinder
pL: – Dichte der Luft im Zylinder

Im Gegensatz zu dem Drallmoment MZ ist die Drallzahl D für unterschiedliche Zylinderköpfe ähnlicher Motoren direkt vergleichbar und wird daher zur Charakterisierung des Dralls gemäß der Erfindung eingesetzt.
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.
Der Verbrennungsmotor wird mit einer Einlassströmung mit Drallanhebung bei niedrigen Ventilhüben betrieben, 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 Abständen von 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.
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.
Vorteilhaft weist bei dem 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.
Die 5 zeigt Messungen der Drallzahl bei einer Einlasseinrichtung mit einem Drallkanal und einem Füllkanal, wobei der Füllkanal durch eine Drallklappe geschlossen ist (Einkanalbetrieb), und damit ein erhöhter Drall der Einlassströmung bewirkt wird. Die Drallanhebung bei kleinen Ventilhüben wird vorzugsweise durch eine Bearbeitung des Ventilsitzes des Drallkanalventils erreicht. Besonders bevorzugt ist hierbei die erwähnte Sitzdrallfase SDF.
In 5 ist mit den Kurven 501 bzw. 503 die ventilhubabhängige Tippelmann-Drallzahl D gegenüber dem Ventilhub aufgetragen, wobei 501 die Drallzahl gemäß der Erfindung mit einer Sitzdrallfase und die Kurve 503 die Drallzahl bei ansonsten gleichem Drallkanal und Drallkanalventil ohne Drallanhebung durch eine Sitzdrallfase beschreibt.
Der maximale Ventilhub hat einen Wert von 8mm, kann aber selbstverständlich auch einen davon verschiedenen Wert haben.
Erkennbar ist, dass die Einlassströmung gemäß Kurve 501 bei niedrigen Ventilhüben von 2mm, 3mm oder 4mm jeweils hohe Werte D von 0,7, 0,4 und 0,3 aufweist.
Bevorzugt sind in Rahmen der Erfindung ferner Werte der Drallzahl > 2; 3; 4 im Ventilhubbereich 2mm bis 5mm.
Ferner kann 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. Als normierte integrale Tippelmann-Drallzahl wird das Integral von über ein Ventilhub-Intervall dividiert durch die Intervalllänge bezeichnet.
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.
In 5 ist erkennbar, dass die Drallzahl aufgetragen gegen den Ventilhub zwischen einem Wert bei Vh = 2mm und einem Wert bei 8mm etwa bei 4mm Ventilhub ein Minimum aufweist. Die Drallzahl nimmt ausgehend von ihrem Wert bei 2mm Ventilhub ab, erreicht in einem Bereich um 0,5 Vhm ihr Minimum und steigt anschließend wieder an. Mit dieser „Badewannenform“ gelingt es, bei niedrigem und bei hohem Ventilhub hohe Drallzahlen zu erreichen.
Die Einlassströmung gemäß Kurve 503 hat dagegen für kleine Ventilhübe im Bereich zwischen 2 und 4 mm geringere Drallzahlen D im Bereich zwischen 0,15 und 2.
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.
Neben der Drallzahl ist der Durchfluss durch das oder die Einlassventile eine wichtige Größe zur Charakterisierung der Einlassströmung.
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 2006 dargestellt ist. Ein hoher Wert von α k wirkt sich positiv auf die Zylinderfüllung aus.
αk 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] wobei

RL: – spezielle Gaskonstante für Luft [J/(kg·K)]
T: – Temperatur [K]
K: – Isentropenexponent [–]
pnach: – Druck nach Ventil [Pa]
pvor: – Druck vor Ventil [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.
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.
In 5 stellt Kurve 503 den Verlauf des ventilhubabhängigen Durchflusskoeffizient αk in einem Bereich des Ventilhubs zwischen 2 mm und 8 mm dar.
Vorzugsweise ist bei dem 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.
Die 6 zeigt Messungen der Drallzahl bei einer Einlasseinrichtung mit einem Drallkanal und einem vollständig geöffneten Füllkanal (Zweikanalbetrieb), wobei der Füllkanal nicht durch eine Drallkappe geschlossen ist und damit ein höherer Durchsatz an Ladeluft erreicht werden kann. Bei einem Ventilhub in einem Bereich zwischen 2 und 4 mm weist die ventilhubabhängige Tippelmann-Drallzahl einen Wert > 0,035 auf. Bei 2 mm Ventilhub ist die Drallzahl > 0,45. Bei einem Ventilhub von 8 mm ist die Drallzahl > als 0,35.
In 6 ist analog zu 5 erkennbar, dass die Drallzahl aufgetragen gegen den Ventilhub zwischen einem Wert bei Vh = 2mm und einem Wert bei 8mm etwa bei 4mm Ventilhub ein Minimum aufweist. Die Drallzahl nimmt ausgehend von ihrem Wert bei 2mm Ventilhub ab, erreicht in einem Bereich um 0,5 Vhm (8mm) ihr Minimum und steigt anschließend wieder an. Mit dieser „Badewannenform“ gelingt es, bei niedrigem und bei hohem Ventilhub hohe Drallzahlen zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Drallzahl bei 8mm Ventilhub einen Wert von maximal 0,6 auf.
Die Kurve 602 stellt den Verlauf des ventilhubabhängigen Durchflusskoeffizienten αk dar und zeigt gegenüber der Kurve 502 der 5 eine Erhöhung des ventilhubabhängigen Durchflusskoeffizienten αk.
Die Erfindung ermöglicht es, betriebspunktabhängig bei konstanter NOx-Roh-Emission die Ruß-Roh-Emissionen in Abhängigkeit von einer Öffnungsstellung einer Drallklappe einzustellen.
In 7 sind beispielhaft für einen aufgeladenen 4-Zylinder-Dieselmotor mit 1,968cm3 Hubraum und einer Bohrung von 81mm bei 95,5mm Hub, einem Muldendurchmesser von 53mm, einem Muldenranddurchmesser von 51,88mm, einer maximalen Leistung von 103kW bei einer Drehzahl von 4200 1/Min., einen maximalen Drehmoment von 320Nm bei einer Drehzahl von 1750 bis 2500 1/Min., einer Verdichtung von 16,5 zu 1 Ruß-Roh-Emissionen in Einheiten von Filter-Smoke-Number (FSN) bei konstanter NOx-Rohemission von 0,5g/kWh dargestellt. Der Betriebspunkt liegt bei einer Drehzahl von 1500 1/Min. und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diesen konkreten Motor beschränkt ist, sondern gleichartige Motoren, ggfs. auch ohne Aufladung umfasst.
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.
Die Kurve 701 bezeichnet den Verlauf der Rußemissionen bei einem erfindungsgemäß betriebenen Motor mit Drallanhebung. Zum Vergleich zeigt die Kurve 702 den Verlauf der Rußemission in Abhängigkeit von der Öffnungsstellung der Drallklappe bei einem gleichen Motor ohne Drallanhebung. Erkennbar ist, dass die Rußemissionen gemäß Kurve 701 für den Motor bei allen Öffnungspositionen um mindestens 0,1 FSN unter den Werten der Vergleichskurve 702 liegen. Erkennbar ist ferner, dass die Rußemissionen bei geschlossener Drallklappe, d. h. einem Einkanalbetrieb über den Drallkanal am niedrigsten ist und mit zunehmender Öffnung der Drallklappe ansteigen.
In 8 ist für den gleichen Motor in einem Betriebspunkt mit einer Drehzahl von 3000 1/Min. und einem effektiven Mitteldruck von 8 bar die Rußemission bei einer konstanten NOx-Rohrmission von 1,3 g/kWh für verschiedene Öffnungsstellungen der Drallklappe dargestellt. Die Kurve 801 bezeichnet den Verlauf der Rußemission in Abhängigkeit von der Öffnungsstellung der Drallklappe gemäß der Erfindung, während die Kurve 802 Vergleichsdaten ohne erfindungsgemäße Drallanhebung zeigt. Es ist erkennbar, dass die Rußemission im erfindungsgemäßen Fall um mindestens 0,1 FSN niedriger als im Fall konventioneller Technik liegen. Im Unterschied zur Situation gemäß 7 ist in diesem Betriebspunkt der Zweikanalbetrieb mit vollständig geöffneter Drallklappe günstiger als der Einkanalbetrieb.
In 9 sind für den gleichen Motor bei einem Betriebspunkt bei einer Drehzahl von 2000 1/min und einem effektiven Mitteldruck von 5 bar die Ruß-Rohemissionen bei einer konstanten NOx-Rohemission von 1 g/kwh verschiedene Öffnungsstellungen der Drallklappe dargestellt. Die Kurve 901 bezeichnet den Verlauf der Rußemissionabhängigkeit von der Öffnungsstelle der Drallklappe gemäß der Erfindung, während die Kurve 902 Vergleichsdaten ohne erfindungsgemäße Drallanhebung zeigt. Ein minimaler Wert der Rußemission liegt hier bei einer Zwischenposition der Drallklappe mit einer Öffnungsstellung von ca. 60 °.
Der Verbrennungsmotors 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 1/Min. und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar und einer konstanten NOx-Rohemission von < als 0,7 g/kWh eine Rußzahl FSN von < als 0,2 eingestellt wird.
Ferner ist vorgehen, dass in einem Betriebspunkt mit 2000 1/Min. und 5 bar effektiven Mitteldruck und einer NOx-Rohemission von < als 1,2 g/kWh eine Rußzahl FSN von < als 0,8 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 FSN von weniger als 1 eingestellt wird.
Die Dralllanhebung besteht vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2mm und 4mm, ggfs. mit Drallwerten sowie Durchflusskoeffizienten wie in Zusammenhang mit den 5 und 6 und der zugehörigen Beschreibung dargestellt wurde.
Die 10–12 zeigen den 7–9 entsprechende Darstellungen, wobei die Rußemissionen nicht in Einheiten FSN sondern in Einheiten g/kWh aufgetragen sind.
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 1/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 5 und 6 und der zugehörigen Beschreibung dargestellt wurde.
Ferner ist vorgesehen, dass in einem Betriebspunkt mit 2000 1/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.
Bezugszeichenliste

101: Verbrennungsmotor
102: Motorblock
103: Einlasseinrichtung
104: Einspritzsystem
105: Auslasseinrichtung
106: Abgassystem
107: Partikelfilter
107a: Katalysator
108: Abgasrückführsystem
109: Abgasrückführventil
110: Abgasrückführkühlung
111: Kühlkreislauf
115: Turbolader
116: Ladeluftkühler
201: Kolbenkopf
202: Oberfläche des Kolbenkopfs
203: Muldenranddurchmesser
204: Kolbendurchmesser
205: Kühlkanal
206: Kolbenmulde
207: Muldenkontur
208: Muldenrand
209: Kolbenachse
301: Drallkanal
302: Füllkanal
303: Drallklappe
304: Luftstrom-Drallkanal
305: Luftstrom Füllkanal
306: Zylinder
307: Ventil
308: Ventil
310: Einlasseinrichtung
315: Ventilsitz
316: Ventilsitz
317: Spalt
401: Tippelmann-Messstand
402: Zylinder
403: Wabe
404: Einlasskanal
405: Ventil
406: Drallströmung
407: Zylinderachse
501: Kurve
502: Kurve
601: Kurve
602: Kurve
701: Kurve
702: Kurve
801: Kurve
802: Kurve
901: Kurve
902: Kurve

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung mit einem Motorblock mit zumindest einem Zylinder und einem diesem zugeordneten Kolben, einer Injektoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Löchern zur Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder sowie einer Einlasseinrichtung für Ladeluft mit zumindest einem Einlasskanal und einem zugeordneten Einlassventil und einer Auslasseinrichtung für Abgas mit zumindest einem Auslasskanal und einem zugeordneten Auslassventil, 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, der Einlasskanal als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum einen Drall erhält, für zumindest einen ausgewählten Zylinder die Zylinderbohrung < 110mm und der Injektor eine Lochzahl L > 8 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für den ausgewählten Zylinder das Einlassventil einen bearbeiteten Ventilsitz aufweist, wodurch bei einem Einkanalbetrieb der Luftmassenstrom zu Beginn des Ventilhubs in eine definierte Richtung gelenkt wird und die Einlassströmung bei einem kleinem Ventilhub eine Drallanhebung aufweist, für den ausgewählten Zylinder der Drallkanal derart ausgelegt ist, dass bei dem Einkanalbetrieb die Einlassströmung im Bereich maximalen Ventilhubs einen hohen Drall aufweist und dass bei dem Einkanalbetrieb die Einlassströmung in einem Bereich zwischen kleinem Ventilhub und maximalem Ventilhub der Drall ein relatives Minimum mit einem Wert aufweist, der mindestens 25% unter dem Wert des Dralls bei kleinem Ventilhub liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz eine Bearbeitung in der Art einer Maskierung, Abschirmung oder Sitzdrallfase aufweist.
Verfahren nach Ansprüch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Sitzdrallfase 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 aufweist, wobei Vhm den maximalen Ventilhub oder insbesondere 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 = 0,5Vhm 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.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassströmung bei maximalen Ventilhub Vhm, insbesondere mit Vhm = 8 mm, eine ventilhubabhängige Tippelmann-Drallzahl D mit einem Wert > 0,4 und/ oder das Einlassventil einen ventilhubabhängigen Durchflusskoeffizienten αK > 0,04 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde einen mittleren Bereich mit geringerer Tiefe und einen peripheren Bereich mit einer größeren Tiefe, jeweils bezogen auf den Muldenrand aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasseinrichtung als weiteren Einlasskanal einen Füllkanal mit einem zugeordneten Füllkanalventil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkanal durch eine schaltbare Drallklappe geöffnet und geschlossen werden kann, wobei die Drallklappe vorzugsweise mindestens zwei Öffnungsstellungen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ventilhubabhängige Tippelmann-Drallzahl D aufgetragen gegen den Ventilhub zwischen einem Wert bei Vh = 2mm und einem Wert bei 8mm etwa bei 4mm Ventilhub ein Minimum aufweist.