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Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein den Brennraum seitlich begrenzendes Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Kolbenlängsachse zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt bewegbar ist, und
- – jeder Zylinder in einem Bereich des Zylinderrohres mit einer Einspritzvorrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum ausgestattet ist, die über mindestens eine Öffnung verfügt, welche im Rahmen eines Einspritzvorganges zwecks Einbringens von Kraftstoff in den Brennraum aktivierbar ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die
JP 2015-96727 A .
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder und deren Brennräume miteinander verbunden werden bzw. sind. Der Zylinderblock dient regelmäßig als obere Kurbelgehäusehälfte zur Lagerung der Kurbelwelle und zur Aufnahme des Kolbens bzw. der Zylinderlaufbuchse jedes Zylinders.
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Der Kolben kann auch unter Weglassen einer Buchse als Zwischenelement direkt in einer Bohrung des Blocks gelagert und geführt sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird sowohl die Zylinderlaufbuchse als auch die Bohrung unter den Begriff Zylinderrohr subsumiert.
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Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebe. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet. Das Ventil einschließlich des zugehörigen Betätigungsmechanismus wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird regelmäßig ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
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Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einer äußeren Gemischbildung und einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraums erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
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Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung des Kraftstoffes direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zur Anwendung kommt.
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Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
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Die Direkteinspritzung ist durch eine inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist, sondern regelmäßig sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist. Die Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist auch ein Grund dafür, dass die vom dieselmotorischen Verfahren her bekannten Partikelemissionen beim direkteinspritzenden Ottomotor ebenfalls von Relevanz sind, wohingegen diese Emissionen beim traditionellen Ottomotor nahezu keine Bedeutung haben.
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Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
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Die daraus resultierenden Anforderungen an die Gemischbildung betreffen nicht nur den direkteinspritzenden Ottomotor, sondern grundsätzlich jede direkteinspritzende Brennkraftmaschine und damit auch direkteinspritzende Dieselmotoren. Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist ganz allgemein eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine.
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Da bei einer Direkteinspritzung nur wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht, sind Maßnahmen erforderlich, mit denen die Gemischbildung unterstützt und beschleunigt wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung weitestgehend zu homogenisieren; zumindest solange kein Schichtladebetrieb angestrebt wird. Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang dem Verteilen des Kraftstoffes im Brennraum und damit auch dem Einspritzen des Kraftstoffes zu.
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Beim direkteinspritzenden Ottomotor können im Wesentlichen drei Verfahren zur Gemischbildung unterschieden werden.
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Beim luftgeführten Verfahren wird versucht, die Gemischbildung mittels einer der Einlassströmung – beim Ansaugen der Luft in den Brennraum – aufgezwungenen Bewegung zu beeinflussen. Auf diese Weise soll eine gute Durchmischung der angesaugten Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff erzielt werden, wobei ein direktes Auftreffen des eingespritzten Kraftstoffes auf die Innenwände des Brennraums durch die erzeugte Ladungsbewegung bzw. Strömung verhindert werden soll.
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Beispielsweise kann die Erzeugung eines sogenannten Tumbles oder einer Drallströmung die Gemischbildung beschleunigen und unterstützen. Ein Tumble ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel zur Längsachse, d. h. zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft, im Gegensatz zu einem Drall, der einen Luftwirbel darstellt, dessen Achse parallel zur Kolben- d. h. Zylinderlängsachse verläuft.
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Die Anordnung und die Geometrie des Ansaugsystems, d. h. der Ansaugleitungen, haben maßgeblich Einfluss auf die Ladungsbewegung und damit auf die Gemischbildung, wobei die Ladungsbewegung im Zylinder durch die Brennraumgeometrie mit beeinflusst wird, insbesondere durch die Geometrie des Kolbenbodens bzw. einer gegebenenfalls im Kolbenboden vorgesehenen Kolbenmulde. Nach dem Stand der Technik werden bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen ausschließlich zur Kolbenlängsachse rotationssymmetrische Mulden verwendet, insbesondere omegaförmige Mulden. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Zylinderkopf ist eine Optimierung der Ansaugleitungen in Hinblick auf die Gemischbildung und den Ladungswechsel gegebenenfalls nicht oder aber nicht vollumfänglich möglich bzw. nur unter Inkaufnahme von Nachteilen an anderer Stelle.
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Beim wandgeführten Verfahren wird der Kraftstoff in der Art in den Brennraum eingespritzt, dass der Einspritzstrahl gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet wird, vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl soll dabei durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden, so dass ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfasst wird. Insbesondere muss ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes in die Nähe der Zündeinrichtung gelenkt werden, um dort mit der angesaugten Luft ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch auszubilden.
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Während beim luftgeführten Verfahren ein direktes Auftreffen des eingespritzten Kraftstoffes auf die Brennrauminnenwände verhindert werden soll, wird dies beim wandgeführten Verfahren angestrebt. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Benetzung der Brennrauminnenwände mit Kraftstoff die Ölverdünnung fördert und die Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie die Partikelemissionen in nachteiliger Weise steigert.
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Beim strahlgeführten Verfahren wird der Kraftstoff gezielt in Richtung Zündeinrichtung eingespritzt, was durch eine entsprechende Ausrichtung der Einspritzstrahlen und eine entsprechend abgestimmte Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung erreicht wird, beispielsweise durch eine Anordnung sowohl der Zündeinrichtung als auch der Einspritzeinrichtung zentral im Zylinderkopf auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite.
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Der Transport und die Verteilung des Kraftstoffes erfolgen im Wesentlichen durch den Impuls der Einspritzstrahlen, so dass die Gemischbildung vergleichsweise unabhängig von der Brennraumgeometrie ist, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber den beiden anderen Verfahren darstellt. Das strahlgeführte Verfahren eignet sich besonders für den geschichteten Betrieb der Brennkraftmaschine, weil einerseits ein zündfähiges Gemisch in einem eng begrenzten Bereich um die Zündeinrichtung herum ausgebildet werden kann und sich andererseits in weiten Bereichen des Brennraums eine geringe Kraftstoffkonzentration realisieren lässt.
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Die meisten Verfahren zur Gemischbildung weisen sowohl eine luftgeführte als auch eine strahlgeführte Komponente auf.
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Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, bei denen die Einspritzvorrichtung im Zylinderkopf auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. In Abhängigkeit von der Eindringtiefe der Einspritzstrahlen, der eingespritzten Kraftstoffmenge und dem Einspritzzeitpunkt, d. h. der Stellung des Kolbens, gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des Kraftstoffes bei der Einspritzung auf die Brennrauminnenwände, insbesondere auf den Kolbenboden und das Zylinderrohr, und mischt sich mit dem dort anhaftenden Ölfilm. Der Kraftstoff gelangt zusammen mit dem Öl in das Kurbelgehäuse und trägt so maßgeblich zur Ölverdünnung bei. Die Benetzung der Brennrauminnenwände mit Kraftstoff wirkt sich zudem nachteilig auf die Rohemission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie die Partikelemission aus.
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Grundsätzlich und im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll folglich eine Benetzung der Brennrauminnenwände mit eingespritztem Kraftstoff verhindert bzw. vermindert werden.
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Nach dem Stand der Technik kommen daher auch Einspritzvorrichtungen zum Einsatz, deren Einspritzstrahlen eine verminderte bzw. geringere Eindringtiefe in den Brennraum aufweisen. In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass die Brennrauminnenwände trotz verminderter Eindringtiefe mit Kraftstoff benetzt werden und zwar auch dann, wenn die Einspritzstrahlen nicht unmittelbar auf die Brennrauminnenwände treffen. Ursächlich verantwortlich dafür ist nicht verdampfter flüssiger Kraftstoff, der in Gestalt von Kraftstofftröpfchen infolge der Ladungsbewegung im Brennraum zu den Brennrauminnenwänden hin transportiert wird und diese benetzt.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Zylinder der Brennkraftmaschine jeweils im Bereich des Zylinderrohres mit einer Einspritzdüse ausgestattet sind. Die Einspritzdüse eines Zylinders ist dabei auf den Zylinderkopf ausgerichtet; im Einzelfall auf das Auslassventil des Zylinders. Diese Maßnahme soll die Verdampfung der Kraftstoffteilchen bzw. Kraftstofftröpfchen unterstützen und beschleunigen und damit die Gemischbildung. Gleichzeitig wird der Kopf bzw. das geschlossene Auslassventil mittels Kraftstoff gekühlt. Es sollen sich Vorteile bei den Schadstoffemissionen ergeben. Es können auch zwei Einspritzdüsen vorgesehen werden, die gegebenenfalls miteinander interagieren, wodurch die Gemischbildung nochmals verbessert werden soll. Die
US 5,421,301 beschreibt eine derartige Brennkraftmaschine.
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Eine Einspritzdüse, die – wie in der
US 5,421,301 beschrieben – auf den Zylinderkopf hin ausgerichtet ist, versorgt im Rahmen des Einspritzvorganges nur den zylinderkopfseitigen Bereich des Brennraums mit Kraftstoff, wohingegen der Bereich des Brennraums zwischen Einspritzvorrichtung und unterem Totpunkt, d. h. der kolbenseitige Bereich des Brennraums, beim Einspritzen unberücksichtigt bleibt.
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Durch die Anordnung der Einspritzvorrichtung im Bereich des Zylinderrohres ergeben sich weitere Nachteile. Nach dem Stand der Technik wird eine im Bereich des Zylinderrohres vorgesehene Einspritzvorrichtung von einer Ausnehmung bzw. Bohrung im Zylinderrohr aufgenommen, wobei die Einspritzvorrichtung regelmäßig in einer vertieften Position angeordnet ist, so dass sich zwischen der brennraumseitigen Spitze der Einspritzvorrichtung und der virtuellen inneren Mantelfläche des Zylinderohres, welche auch näherungsweise die Lauffläche des Kolbens darstellt, ein Totvolumen ausbildet, in welchem sich eingespritzter Kraftstoff sammeln kann und sammelt. An der Einspritzvorrichtung lagern sich Kraftstoff sowie durch unvollständiges Verbrennen von Kraftstoff unter Sauerstoffmangel Verkokungsrückstände ab.
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Die Ablagerung von flüssigem Kraftstoff an der Einspritzvorrichtung führt zu einer erhöhten Rohemission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die Ablagerungen an der Einspritzvorrichtung führen auch zu einer erhöhten Partikelemission der Brennkraftmaschine. Denn in den porösen Verkokungsrückständen lagert sich eingespritzter Kraftstoff ein, der häufig gegen Ende der Verbrennung, wenn der für die Verbrennung bereitgestellte Sauerstoff nahezu aufgebraucht ist, unvollständig verbrennt und Ruß bildet, welcher zur Erhöhung der Partikelrohemission der Brennkraftmaschine beiträgt.
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Es können sich auch Verkokungsrückstände von der Einspritzvorrichtung ablösen, beispielsweise infolge mechanischer Beanspruchung, bedingt durch eine sich im Brennraum ausbreitende Druckwelle oder Einwirkung des Einspritzstrahls. Die auf diese Weise abgelösten Rückstände erhöhen nicht nur die Partikelrohemission der Brennkraftmaschine, sondern können zu Beschädigungen führen, beispielsweise die Funktionstüchtigkeit von im Abgasabführsystem vorgesehenen Systemen zur Abgasnachbehandlung beeinträchtigen.
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Des Weiteren können die Verkokungsrückstände die Geometrie der Einspritzvorrichtung verändern, insbesondere die Durchflusscharakteristik nachteilig beeinflussen und/oder die Ausbildung des Einspritzstrahls behindern und auf diese Weise die Gemischaufbereitung stören.
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Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, die dem Aufbau von Verkokungsrückständen entgegenwirken sollen und/oder dazu dienen, Ablagerungen von Verkokungsrückständen abzubauen, d. h. den Brennraum von diesen Verkokungsrückständen zu befreien und zu reinigen. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 199 45 813 A1 beschreibt ein solches Konzept. Als Maßnahmen zur Reinigung des Brennraums werden das gezielte Herbeiführen einer klopfenden Verbrennung und/oder das Einbringen einer Reinigungsflüssigkeit in die angesaugte Verbrennungsluft vorgeschlagen. Beide Maßnahmen sind hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen als kritisch anzusehen. Die europäische Patentschrift
EP 1 404 955 B1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, deren mindestens einer Brennraum zumindest bereichsweise eine katalytische Beschichtung der Oberfläche zur Oxidation von Verkokungsrückständen aufweist.
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Die im Stand der Technik beschriebenen Konzepte haben regelmäßig eine im Zylinderkopf angeordnete und in den Brennraum hineinragende Einspritzdüse zum Gegenstand und eignen sich nicht für im Bereich des Zylinderrohres vertieft angeordnete Einspritzvorrichtungen, d. h. zur Entfernung bzw. Verringerung von in einer Vertiefung, d. h. im Totvolumen befindlichem Kraftstoff bzw. befindlichen Verkokungsrückständen.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass direkteinspritzende Brennkraftmaschinen mit im Zylinderrohr angeordneter Einspritzvorrichtung Verbesserungspotential aufweisen sowie bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen weiter Bedarf besteht an verbesserten Verfahren zur Gemischbildung.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Gefahr von Kraftstoffablagerungen und Verkokungsrückständen an der Einspritzvorrichtung eliminiert bzw. vermindert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein den Brennraum seitlich begrenzendes Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Kolbenlängsachse zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt bewegbar ist, und
- – jeder Zylinder in einem Bereich des Zylinderrohres mit einer Einspritzvorrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum ausgestattet ist, die über mindestens eine Öffnung verfügt, welche im Rahmen eines Einspritzvorganges zwecks Einbringens von Kraftstoff in den Brennraum aktivierbar ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – die Einspritzvorrichtung eines Zylinders brennraumseitig mit dem zylinderzugehörigen Zylinderrohr ohne Ausbildung eines Totvolumens bündig abschließt.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine schließt die Einspritzvorrichtung eines Zylinders brennraumseitig mit dem zylinderzugehörigen Zylinderrohr bündig ab. Dies bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung zunächst, dass zumindest die brennraumseitige Spitze der Einspritzvorrichtung eine virtuelle innere Mantelfläche des Zylinderohres, welche näherungsweise die Lauffläche des Kolbens bildet, berührt.
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Erfindungsgemäß schließt die Einspritzvorrichtung mit dem Zylinderrohr ohne Ausbildung eines Totvolumens bündig ab. Dabei wird das Totvolumen, welches sich zwischen dem brennraumseitigen Ende der Einspritzvorrichtung und der Mantelfläche des Zylinderohres ausbildet, vollständig eliminiert bzw. weitestgehend, d.h. soweit technisch machbar.
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Mit dem Eliminieren des Totvolumens vermindern sich auch die Gefahr einer Kraftstoffablagerung an der Einspritzvorrichtung bzw. deren Spitze sowie die Gefahr der Bildung von Verkokungsrückständen.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, bei der die Gefahr von Kraftstoffablagerungen und Verkokungsrückständen an der Einspritzvorrichtung eliminiert bzw. vermindert ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung brennraumseitig zylinderförmig ausgebildet ist, so dass eine brennraumseitig angeordnete zylinderförmige Spitze der Einspritzvorrichtung gemeinsam mit dem zylinderförmigen Zylinderrohr eine virtuelle zylinderförmige Mantelfläche mit ausbildet, wodurch das Totvolumen vollständig eliminiert wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung gegenüber der Kolbenlängsachse geneigt ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung gegenüber der Kolbenlängsachse in Richtung des mindestens einen Zylinderkopfes geneigt ist. Dadurch wird der Gefahr einer ungewollten Benetzung des Kolbens mit Kraftstoff entgegen gewirkt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung auf die mindestens eine zylinderzugehörige Einlassöffnung ausgerichtet ist, in der Art, dass der aus der Einspritzvorrichtung austretende Kraftstoff der via Einlassöffnung in den Brennraum eintretenden Verbrennungsluft entgegen gerichtet ist.
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Gemäß der vorstehenden Ausführungsform ist die im Zylinderrohrbereich angeordnete Einspritzvorrichtung auf den zylinderzugehörigen Zylinderkopf ausgerichtet, aber nicht – wie im Stand der Technik, beispielsweise der
US 5,421,301 beschrieben – auf den Auslass, sondern auf den Einlass des Zylinders, nämlich auf die mindestens eine zylinderzugehörige Einlassöffnung, so dass der in den Brennraum eingebrachte Kraftstoff mit der in den Brennraum einströmenden und entgegen gesetzt ausgerichteten Verbrennungsluft interagieren kann.
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Die in den Brennraum eintretende Luftströmung reduziert die Eindringtiefe der Einspritzstrahlen der Einspritzvorrichtung, wodurch einer Benetzung der Brennrauminnenwände mit Kraftstoff entgegen gewirkt wird. Durch die Ausrichtung der Einspritzvorrichtung auf den Zylinderkopf wird insbesondere eine Benetzung des Kolbens vermieden. Mit der Benetzung der Brennrauminnenwände entfällt eine weitere Ursache für eine erhöhte Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie eine erhöhte Partikelemission.
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Die Ausrichtung der Einspritzstrahlen entgegen der eintretenden Luftströmung soll die Verdampfung der Kraftstoffteilchen bzw. Kraftstofftröpfchen sowie die weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum unterstützen und beschleunigen und die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorantreiben und damit verbessern.
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Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Brennkraftmaschinen mit auf den Zylinderkopf ausgerichteter Einspritzvorrichtung wird erfindungsgemäß unter Ausnutzung der Strömungsdynamik der Einlassströmung sowohl der zylinderkopfseitige Bereich des Brennraums als auch der kolbenseitige Bereich des Brennraums mit Kraftstoff versorgt.
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Gelangt Kraftstoff bei geöffneter Einlassöffnung in das Ansaugsystem, kann dieser Kraftstoff dazu dienen, die Rückseite des zugehörigen Einlassventils zu reinigen und von Ablagerungen zu befreien.
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Die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewinnt auch im Hinblick auf die Verringerung der Stickoxidemissionen an Bedeutung, da die Bildung von Stickoxiden nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert und daher zunehmend Brennverfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zur Anwendung kommen, wie beispielsweise das HCCI-Verfahren (homogenous-charge compression-ignition), das auch als Raumzündverfahren oder CAI-Verfahren (Controlled Auto-Ignition) bezeichnet wird und auf einer kontrollierten Selbstzündung des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes basiert. Aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperaturen weist eine im HCCI-Modus betriebene Brennkraftmaschine vergleichsweise geringe Stickoxidemissionen auf und ebenfalls niedrige bzw. nahezu keine Rußemissionen.
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Aufgrund der niedrigeren Verbrennungstemperaturen und der damit verbundenen geringeren Temperaturdifferenzen in der Brennkraftmaschine sind die Wärmeverluste geringer als bei herkömmlich betriebenen Brennkraftmaschinen. Dies führt zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine zylinderzugehörige Einlassöffnung im zylinderzugehörigen Zylinderkopf angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Verbrennungsluft aufweist.
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Es ist die Aufgabe der Ventiltriebe die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu versperren, wobei im Rahmen des Ladungswechsels eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten. Daher werden die Zylinder einer Brennkraftmaschine vorzugsweise mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehenden Gründen daher auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist.
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Bei den Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Zylinder keine Einspritzvorrichtung im zylinderzugehörigen Zylinderkopf aufweist, kann der durch den Wegfall der Einspritzvorrichtung im Zylinderkopf freigewordene und damit wieder bzw. zusätzlich zur Verfügung stehende Bauraum genutzt werden, um eine weitere Einlass- bzw. Auslassöffnung vorzusehen oder aber um die vorgesehenen Öffnungen zu vergrößern. In beiden Fällen werden die Drosselverluste im Rahmen des Ladungswechsels spürbar gesenkt.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sein, bei denen jeder Zylinder mit einer zusätzlichen Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, die im zylinderzugehörigen Zylinderkopf angeordnet ist.
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Dann verfügt jeder Zylinder über zwei Einspritzvorrichtungen, die miteinander interagieren bzw. gemeinsam die weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum übernehmen, wodurch die Gemischbildung nochmals verbessert, insbesondere die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beschleunigt wird. Als besonders vorteilhaft kann sich eine zweite Einspritzvorrichtung erweisen in den Betriebspunkten, in denen große Kraftstoffmengen in den Zylinder einzubringen sind. Jede der beiden Einspritzvorrichtungen kann aber auch für sich alleine benutzt werden, so dass in vorgebbaren Betriebspunkten nur eine der beiden Einspritzvorrichtungen zwecks Einbringens von Kraftstoff zum Einsatz kommt.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sein, bei denen jeder Zylinder mit einer weiteren Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, die im zylinderzugehörigen Ansaugsystem angeordnet ist. Mittels Saugrohreinspritzung könnte beispielsweise im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine Kraftstoff in das Ansaugsystem stromaufwärts des Einlasses zu einem Zylinder eingebracht werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwecks Einleitens einer Fremdzündung mit einer Zündvorrichtung ausgestattet ist. Die vorstehende Ausführungsform hat fremdgezündete Brennraftmaschinen zum Gegenstand, d. h. Brennkraftmaschinen, die sich zumindest zeitweise einer Fremdzündung bedienen.
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Vorteilhaft können dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sein, bei denen jeder Zylinder zwecks Einleitens der Fremdzündung mit einer zusätzlichen Zündvorrichtung ausgestattet ist.
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Bei den Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Zylinder keine Einspritzvorrichtung im zylinderzugehörigen Zylinderkopf aufweist, kann der durch den Wegfall der Einspritzvorrichtung im Zylinderkopf freigewordene und damit wieder bzw. zusätzlich zur Verfügung stehende Bauraum auch dazu genutzt werden, um eine Zündvorrichtung bzw. zusätzliche Zündvorrichtung vorzusehen. Wird die Zündung dann an den zwei voneinander beabstandeten Positionen der beiden Zündvorrichtungen initiiert, d. h. eingeleitet, breiten sich Flammen von diesen beiden Positionen im Brennraum aus, wobei das aufbereitete im Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Gesamtheit schneller von einer Flamme erfasst wird als dies bei Verwendung nur einer Zündvorrichtung zu beobachten bzw. der Fall wäre. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch brennt sozusagen schneller durch, wodurch sich thermodynamische Vorteil ergeben können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muss ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der wesentlichen höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden, weshalb Brennkraftmaschinen regelmäßig mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die thermische Belastung des Zylinderkopfes stetig zunimmt, auch weil ein zunehmender Anteil der Brennkraftmaschinen – mittels Abgasturboauflader oder mechanischem Lader – aufgeladen wird. Aufgrund des immer dichteren Packaging im Motorraum und der zunehmenden Integration von Bauteilen und Komponenten in den Zylinderkopf, beispielsweise der Integration des Abgaskrümmers, steigt die thermische Belastung des Zylinderkopfes, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine sicher verhindern. Bestrebungen, leichtere Materialien zur Herstellung des Kopfes verwenden zu wollen, die thermisch weniger belastbar sind, erhöhen nochmals die Anforderungen an die Kühlung.
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Verfügt die Brennkraftmaschine über eine Flüssigkeitskühlung, werden im Zylinderkopf in der Regel mehrere Kühlmittelkanäle bzw. mindestens ein Kühlmittelmantel ausgebildet, die das Kühlmittel durch den Zylinderkopf hindurchführen, was eine sehr komplexe Zylinderkopfstruktur bedingt.
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Bei den Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Zylinder keine Einspritzvorrichtung im zylinderzugehörigen Zylinderkopf aufweist, kann der durch den Wegfall der Einspritzvorrichtung im Zylinderkopf freigewordene und damit wieder bzw. zusätzlich zur Verfügung stehende Bauraum dazu genutzt werden, einen Kühlmittelmantel im Zylinderkopf nahe des Brennraums zu positionieren und damit in unmittelbarer Nachbarschaft zu den thermisch am höchsten belasteten Bereichen des Kopfes.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen im Zylinderkopf ein Kühlmittelmantel integriert ist, der einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montagefläche des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, umfasst.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen ein mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbarer Zylinderblock zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel das Zylinderrohr mindestens eines Zylinders zumindest bereichsweise abdeckt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der zylinderzugehörige Kolben zur Abdichtung des Brennraums mit mindestens einem Kolbenring ausgestattet ist, der in einem den Kolben seitlich begrenzenden Kolbenhemdbereich angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kolbenring bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben zwischen der Einspritzvorrichtung und dem oberen Totpunkt positioniert ist.
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Ein im oberen Totpunkt befindlicher Kolben verdeckt dann die im Zylinderrohrbereich angeordnete Einspritzvorrichtung, so dass die Einspritzvorrichtung dem Zylinderdruck erst dann ungeschützt ausgesetzt ist, wenn ein sich auf den unteren Totpunkt zu bewegender Kolben die Einspritzvorrichtung brennraumseitig freigibt. Die Einspritzvorrichtung ist folglich weniger hohen Drücken ausgesetzt. Dies erleichtert die Abdichtung der Einspritzvorrichtung. Die Ausbildung der Dichtung wird schon dadurch erleichtert, dass der Bereich des Zylinderrohres thermisch weniger beansprucht ist als beispielsweise der Zylinderkopf.
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Eine Einspritzung kann prinzipbedingt erst vorgenommen werden, wenn der zylinderzugehörige Kolben auf seinem Weg zum unteren Totpunkt die Einspritzvorrichtung passiert hat und den Brennraum für die Öffnungen der Einspritzvorrichtung zugänglich macht.
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Ein sich zwischen den Totpunkten bewegender, d. h. oszillierender Kolben kann die Einspritzvorrichtung im Einzelfall auch brennraumseitig reinigen, insbesondere mechanisch reinigen.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst mit einem Verfahren, bei dem mindestens eine zylinderzugehörige Einlassöffnung zumindest zeitweise im Rahmen eines Einspritzvorganges geöffnet wird.
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Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen mindestens eine zylinderzugehörige Einlassöffnung geöffnet wird, bevor Kraftstoff mittels Einspritzvorrichtung eingebracht wird.
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Regelmäßig wird die Öffnung einer Einspritzvorrichtung dadurch aktiviert, dass diese Öffnung zwecks Einbringens von Kraftstoff in den Zylinder mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbunden und damit freigeben wird. Beendet wird der Einspritzvorgang dann dadurch, dass die Öffnungen vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt werden, d. h. deaktiviert werden. Das Aktivieren bzw. Deaktivieren der Öffnungen kann auch zeitversetzt erfolgen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 schematisch und im Querschnitt das Fragment eines Zylinders einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch und im Querschnitt das Fragment eines Zylinders 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Der Zylinder 1 verfügt über zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt und jede Auslassöffnung mit einem Auslassventil ausgestattet ist, um die Auslassöffnung im Rahmen des Ladungswechsels freizugeben (nicht dargestellt). Des Weiteren verfügt der Zylinder 1 über zwei Einlassöffnungen zum Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung anschließt und jede Einlassöffnung mit einem Einlassventil ausgestattet ist, um die Einlassöffnung im Rahmen des Ladungswechsels freizugeben (nicht dargestellt).
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Jeder Zylinder 1 der Brennkraftmaschine umfasst einen Brennraum 2, der durch den Kolbenboden 5a eines zylinderzugehörigen Kolbens 5, ein den Brennraum 2 seitlich begrenzendes Zylinderrohr 4 und den Zylinderkopf mit ausgebildet wird. Der Kolben 5 oszilliert bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine entlang einer Kolbenlängsachse 5b zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt. Der Kolben 5 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform unter Weglassen einer Buchse als Zwischenelement direkt in einer Bohrung des Zylinderblocks 3 verschiebbar gelagert, wobei die Bohrung das Zylinderrohr 4 bildet. Zur Abdichtung des Brennraums 2 gegenüber dem Kurbelgehäuse ist der Kolben 5 mit mindestens einem Kolbenring 8a ausgestattet, der von einem den Kolben 5 seitlich begrenzenden Kolbenhemd 8 aufgenommen wird.
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Der Zylinderblock 3 ist zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung 7 mit mehreren Kühlmittelmänteln 7a ausgestattet, wobei die Kühlmittelmäntel 7a das thermisch beanspruchte Zylinderrohr 4 bereichsweise abdecken bzw. umschließen.
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Jeder Zylinder 1 der Brennkraftmaschine ist im Bereich des Zylinderrohres 4 mit einer Einspritzvorrichtung 6 zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum 2 ausgestattet. Vorliegend dient als Einspritzvorrichtung 6 eine Einspritzdüse 6a, die mit ihrer Längsachse 6c gegenüber der Kolbenlängsachse 5b in Richtung des Zylinderkopfes geneigt ist und über mehrere Öffnungen verfügt, welche im Rahmen eines Einspritzvorganges zum Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum 2 aktiviert, d. h. freigegeben werden. Zum Beenden des Einspritzvorganges werden die Öffnungen der Einspritzdüse 6a vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt.
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Die Einspritzdüse 6a ist auf eine zylinderzugehörige Einlassöffnung ausgerichtet und zwar in der Art, dass die aus der Einspritzdüse 6a austretenden Kraftstoffstrahlen 6b der via Einlassöffnung in den Brennraum 2 eintretenden Verbrennungsluft entgegen gerichtet sind.
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Die in 1 dargestellte Einspritzvorrichtung 6 schließt mit dem Zylinderrohr 4 ohne Ausbildung eines Totvolumens bündig ab. Ein Totvolumen, welches sich zwischen dem brennraumseitigen Ende 6d der Einspritzvorrichtung 6 und der Mantelfläche des Zylinderohres 4 ausbilden könnte, entfällt damit vollständig.
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Hierzu ist die Einspritzvorrichtung 6 brennraumseitig zylinderförmig ausgebildet, so dass die Spitze 6d der Einspritzvorrichtung 6 gemeinsam mit dem zylinderförmigen Zylinderrohr 4 eine virtuelle zylinderförmige Mantelfläche bildet. Diese virtuelle zylinderförmige Mantelfläche bildet näherungsweise auch die Lauffläche des Kolbens 5 bzw. des Kolbenrings 8a im Zylinderrohr 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Brennraum
- 3
- Zylinderblock
- 4
- Zylinderrohr
- 5
- Kolben
- 5a
- Kolbenboden
- 5b
- Kolbenlängsachse
- 6
- Einspritzvorrichtung
- 6a
- Einspritzdüse
- 6b
- Einspritzstrahlen, Kraftstoffstrahlen
- 6c
- Längsachse der Einspritzvorrichtung
- 6d
- brennraumseitiges Ende der Einspritzvorrichtung, Spitze der Einspritzvorrichtung
- 7
- Flüssigkeitskühlung
- 7a
- Kühlmittelmantel
- 8
- Kolbenhemd, Kolbenhemdbereich
- 8a
- Kolbenring
