DE102017116244A1 - Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine - Google Patents

Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges. Der Verbrennungsmotor weist einen Motorblock (12) und einen mit dem Motorblock (12) verbundenen Zylinderkopf (14) auf. In dem Verbrennungsmotor ist mindestens ein Brennraum (16) ausgebildet, in welchem ein mit einer Kurbelwelle (58) über einen Pleuel (34) verbundener Kolben (18) verschiebbar ist und ein Verbrennungsluftgemisch verdichtet. An dem Zylinderkopf (14) ist mindestens ein Kraftstoffinjektor (36) mit einer Kraftstoffeinspritzdüse (20) angeordnet, über welchen Kraftstoff in den Brennraum (16) des Verbrennungsmotors (10) eingespritzt werden kann. Dabei weist die Kraftstoffeinspritzdüse (20) mehrere Einspritzöffnungen (22, 24) auf, welche auf einem ersten Lochkreis (26) und einem zweiten Lochkreis (28) der Kraftstoffeinspritzdüse (20) angeordnet sind.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor (10) in einem ersten Betriebszustand bei niedriger Last mit einem hohen Verdichtungsverhältnis (ε) betrieben wird und ausschließlich durch die Einspritzöffnungen (22) auf dem ersten Lochkreis (26) der Kraftstoffeinspritzdüse (20) Kraftstoff in den Brennraum (16) eingespritzt wird, und wobei der Verbrennungsmotor (10) in einem zweiten Betriebszustand bei hoher Last mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis (ε) betrieben wird, wobei durch die Einspritzöffnungen (22, 24) beider Lochkreise (26, 28) Kraftstoff in den Brennraum (16) eingespritzt wird.The invention relates to an internal combustion engine (10) for driving a motor vehicle. The internal combustion engine has an engine block (12) and a cylinder head (14) connected to the engine block (12). In the internal combustion engine, at least one combustion chamber (16) is formed, in which a piston (18) connected to a crankshaft (58) via a connecting rod (34) is displaceable and compresses a combustion air mixture. At least one fuel injector (36) with a fuel injection nozzle (20), via which fuel can be injected into the combustion chamber (16) of the internal combustion engine (10), is arranged on the cylinder head (14). In this case, the fuel injection nozzle (20) has a plurality of injection openings (22, 24) which are arranged on a first pitch circle (26) and a second pitch circle (28) of the fuel injection nozzle (20). The invention further relates to a method for operating such an internal combustion engine in which the internal combustion engine (10) is operated in a first operating state at low load with a high compression ratio (ε) and fuel into the combustion chamber (16) exclusively through the injection openings (22) on the first bolt circle (26) of the fuel injection nozzle (20). wherein the internal combustion engine (10) is operated in a second operating state at high load with a low compression ratio (ε), wherein in the combustion chamber (16) through the injection openings (22, 24) of both bolt circuits (26, 28). is injected.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine according to the preambles of the independent claims.

Das Verdichtungsverhältnis von modernen Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, hat maßgeblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors sowie die Emissionen. Zudem hängen das Kaltstartverhalten sowie das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten maßgeblich vom Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors ab. Daher stellt das Verdichtungsverhältnis bei aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotoren mit konstantem Verdichtungsverhältnis stets einen Kompromiss aus den unterschiedlichen Anforderungen dar.The compression ratio of modern internal combustion engines, in particular diesel engines with direct fuel injection, has a significant influence on the efficiency of the internal combustion engine and the emissions. In addition, the cold start behavior and the heating of the exhaust aftertreatment components depend significantly on the compression ratio of the internal combustion engine. Therefore, the compression ratio in constant-compression ratio internal combustion engines known from the prior art always represents a compromise of the different requirements.

Darüber hinaus sind Verbrennungsmotoren mit einem variablen Verdichtungsverhältnis bekannt, bei denen das Verdichtungsverhältnis an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors angepasst werden kann. Aus der WO 2016 / 016 194 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis bekannt, bei dem zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses die Pleuellänge entsprechend angepasst wird, sodass der Kolben im oberen Totpunkt entsprechend dem gewünschten Verdichtungsverhältnis von einer Brennraumbegrenzung am Zylinderkopf beabstandet ist. Ferner betrifft die WO 2016 / 016 194 A1 ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei das damit verstellbare Verdichtungsverhältnis zumindest während des Betriebs des Verbrennungsmotors veränderbar ist und zusätzlich mindestens eine weitere Motorkomponente mit der Veränderung des Verdichtungsverhältnisses abgestimmt wird.In addition, internal combustion engines are known with a variable compression ratio, in which the compression ratio can be adapted to the operating condition of the internal combustion engine. From the WO 2016/016194 A1 For example, a variable compression ratio internal combustion engine is known in which, to change the compression ratio, the connecting rod length is adjusted accordingly so that the piston is spaced at top dead center according to the desired compression ratio from a combustion chamber boundary on the cylinder head. Furthermore, the WO 2016/016194 A1 a method for operating an internal combustion engine, wherein the thus adjustable compression ratio is variable at least during operation of the internal combustion engine and in addition at least one further engine component is adjusted with the change in the compression ratio.

Nachteilig an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass eine alleinige Anpassung des Verdichtungsverhältnisses nicht zu einer optimalen Betriebssituation des Verbrennungsmotors führt.A disadvantage of the known method, however, is that a sole adaptation of the compression ratio does not lead to an optimal operating situation of the internal combustion engine.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kaltstartfähigkeit eines Verbrennungsmotors zu verbessern und gleichzeitig den thermodynamischen Wirkungsgrad zu erhöhen sowie die Emissionen zu minimieren.The object of the invention is to improve the cold start capability of an internal combustion engine and at the same time to increase the thermodynamic efficiency and to minimize emissions.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit einem Motorblock und einem Zylinderkopf gelöst, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Brennraum umfasst, in welchem ein Kolben zur Verdichtung eines Verbrennungsluftgemisches angeordnet ist. Dabei ist in dem Zylinderkopf mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil, vorzugsweise ein Kraftstoffinjektor eines Hochdruck-Einspritzungssystems, angeordnet, welches eine Kraftstoffeinspritzdüse umfasst. Der Verbrennungsmotor weist ein variables Verdichtungsverhältnis auf, welches im Betrieb des Verbrennungsmotors veränderbar ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse weist eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen auf, welche auf zwei unterschiedlichen Lochkreisen angeordnet sind. Durch die unterschiedlichen Einspritzöffnungen auf mehreren Lochkreisen in Verbindung mit einem variablen Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors ist es möglich, die steigenden Anforderungen an einen emissionsarmen, maximal-effizienten Motorbetrieb zu erfüllen und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.According to the invention, the object is achieved by an internal combustion engine with an engine block and a cylinder head, wherein the internal combustion engine comprises at least one combustion chamber, in which a piston for compressing a combustion air mixture is arranged. In this case, at least one fuel injection valve, preferably a fuel injector of a high-pressure injection system, is arranged in the cylinder head, which comprises a fuel injection nozzle. The internal combustion engine has a variable compression ratio, which is variable during operation of the internal combustion engine. The fuel injector has a plurality of injection ports arranged on two different pitch circles. Due to the different injection openings on several bolt circuits in conjunction with a variable compression ratio of the internal combustion engine, it is possible to meet the increasing requirements for low-emission, maximum-efficient engine operation and to overcome the disadvantages known from the prior art.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verbrennungsmotors möglich.The features listed in the dependent claims advantageous improvements and developments of the internal combustion engine specified in the independent claim are possible.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises einen flacheren Einspritzwinkel als die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises aufweisen. Die Anordnung der Einspritzöffnungen ist dabei bevorzugt so gewählt, dass die Strahlkegel des zweiten Lochkreises zwischen den Strahlkegeln des ersten Lochkreises liegen. Diese bedeutet, dass in Sicht auf das Kraftstoffeinspritzventil von unten oder oben die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises von der Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises bevorzugt um weniger als 20° abweichen und besonders bevorzugt symmetrisch auf der Winkelhalbierenden angeordnet sind. Durch einen flachen Einspritzwinkel können die kleinen Einspritzmengen gezielt in eine Verbrennungsmulde des Kolbens eingebracht werden, sodass der eingebrachte Kraftstoff nicht oder nur in geringen Mengen auf die kalten Brennraumwände oder auf den Kolben trifft. Dabei kann eine effiziente Umsetzung des Kraftstoffes bei geringen Emissionen realisiert werden.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the injection openings of the first pitch circle have a shallower injection angle than the injection openings of the second pitch circle. The arrangement of the injection openings is preferably chosen so that the beam cone of the second circle of holes lie between the beam cones of the first circle of holes. This means that in view of the fuel injection valve from below or above, the injection openings of the second pitch circle of the bisecting line between two adjacent injection openings of the first pitch circle preferably differ by less than 20 ° and are particularly preferably arranged symmetrically on the bisector. Through a flat injection angle, the small injection quantities can be selectively introduced into a combustion bowl of the piston, so that the introduced fuel does not impinge or only in small quantities on the cold combustion chamber walls or on the piston. In this case, an efficient implementation of the fuel can be realized with low emissions.

In einer weiteren Verbesserung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises einen kleineren Durchmesser als die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises aufweisen. Dabei kann bei steigender Last die Einspritzmenge entsprechend angepasst werden, sodass die Zerstäubung von kleinen Mengen ebenso möglich ist wie das Einbringen von größeren Kraftstoffmengen zur Erzielung hoher Leistungswerte.In a further improvement of the internal combustion engine is provided that the injection openings of the first pitch circle have a smaller diameter than the injection openings of the second pitch circle. In this case, with increasing load, the injection quantity can be adjusted accordingly, so that the atomization of small amounts is just as possible as the introduction of larger amounts of fuel to achieve high performance.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Einspritzöffnungen auf dem ersten Lochkreis größer als die Anzahl der Einspritzöffnungen auf dem zweiten Lochkreis ist. Dabei weist der erste Lochkreis vorzugsweise mindestens drei, besonders bevorzugt vier gleichmäßig über den Umfang der Kraftstoffeinspritzdüse verteilte Einspritzöffnungen auf, während der zweite Lochkreis vorzugsweise mindestens eine Einspritzöffnung weniger als der erste Lochkreis aufweist, besonders bevorzugt genau zwei Einspritzöffnungen, welche vorzugsweise um 180° über den Umfang der Kraftstoffeinspritzdüse voneinander beabstandet sind. Dabei liegt der Durchfluss der Summe der Spritzlöcher des zweiten Lochkreises bei 50 % bis 400 % des Durchflusses der Summe der Spritzlöcher des ersten Lochkreises, besonders bevorzugt im Bereich von 70 % bis 200 % des Durchflusses des ersten Lochkreises. Durch vergleichsweise viele kleine Einspritzöffnungen auf dem ersten Lochkreis kann eine gute Zerstäubung und Gleichverteilung des Kraftstoffs im Brennraum realisiert werden, wodurch die Rußbildungsneigung reduziert werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the number of injection openings on the first bolt circle is greater than the number of injection openings on the second bolt circle. In this case, the first bolt circle preferably at least three, more preferably four evenly distributed over the circumference of the fuel injection nozzle injection ports, while the second bolt circle preferably has at least one injection port less than the first bolt circle, more preferably exactly two injection ports, which preferably spaced apart by 180 ° around the circumference of the fuel injection nozzle are. In this case, the flow rate of the sum of the injection holes of the second pitch circle is 50% to 400% of the flow of the sum of the injection holes of the first pitch circle, particularly preferably in the range of 70% to 200% of the flow rate of the first pitch circle. By comparatively many small injection openings on the first bolt circle, a good atomization and uniform distribution of the fuel in the combustion chamber can be realized, whereby the Rußbildneigung can be reduced.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugewandter Abschnitt der Kraftstoffeinspritzdüse konisch ausgebildet ist, sodass der erste Lochkreis einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner als ein Durchmesser des zweiten Lochkreises ist. Dabei liegt zumindest einer der Lochkreise, vorzugsweise beide Lochkreise, in dem konischen Abschnitt der Kraftstoffeinspritzdüse. Alternativ kann auch einer der beiden Abschnitte in einem zylindrischen Abschnitt der Kraftstoffeinspritzdüse ausgebildet sein. Durch einen konischen Abschnitt kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise ein relativ breiter Bereich von möglichen Einspritzwinkeln umgesetzt werden, sodass im Vergleich zu einem Einbringen der Einspritzöffnungen in einen zylindrischen Bereich steilere Einspritzwinkel umgesetzt werden können, was insbesondere für die Einspritzöffnungen auf dem zweiten Lochkreis vorteilhaft ist.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that a portion of the fuel injection nozzle facing the combustion chamber of the internal combustion engine is conical, so that the first bolt circle has a diameter which is smaller than a diameter of the second bolt circle. In this case, at least one of the hole circles, preferably both hole circles, lies in the conical section of the fuel injection nozzle. Alternatively, one of the two sections may be formed in a cylindrical portion of the fuel injection nozzle. By a conical section, a relatively wide range of possible injection angles can be implemented in a comparatively simple manner, so that steeper injection angles can be implemented compared to introducing the injection openings into a cylindrical region, which is advantageous in particular for the injection openings on the second circle ,

In einer vorteilhaften Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einspritzwinkel der Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises zwischen 155° und 175° und der Einspritzwinkel des zweiten Lochkreises zwischen 90° und 170° liegt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Einspritzwinkel der Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises mindestens 5°größer als der Einspritzwinkel der Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises ist. Weisen die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises einen steileren Einspritzwinkel als die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises auf, so gelangt auch der durch die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises eindosierte Kraftstoff in die Verbrennungsmulde des Kolbens, sodass der Kraftstoff optimal umgesetzt werden kann.In an advantageous improvement of the invention it is provided that the injection angle of the injection openings of the first pitch circle between 155 ° and 175 ° and the injection angle of the second pitch circle is between 90 ° and 170 °. It is particularly advantageous if the injection angle of the injection openings of the first pitch circle is at least 5 ° greater than the injection angle of the injection openings of the second pitch circle. If the injection openings of the second pitch circle have a steeper injection angle than the injection openings of the first pitch circle, the fuel metered in through the injection openings of the second pitch circle also enters the combustion recess of the piston so that the fuel can be optimally reacted.

Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise als selbstzündender Verbrennungsmotor nach dem Diesel-Prinzip ausgeführt und weist keine zusätzlichen Zündmechanismen zur Fremdzündung eines Verbrennungsgemischs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors auf.The internal combustion engine is preferably designed as a self-igniting internal combustion engine according to the diesel principle and has no additional ignition mechanisms for the spark ignition of a combustion mixture in the combustion chambers of the internal combustion engine.

Vorzugsweise liegt das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors zwischen 13 und 23, wobei das Verdichtungsverhältnis stufenlos oder in zwei oder mehr konkreten Stufen veränderbar ist. Dabei liegt der Unterschied zwischen dem geringsten Verdichtungsverhältnis und dem größten Verdichtungsverhältnis bei vorzugsweise 2 bis 8 Einheiten. Bevorzugt ist ein Unterschied zwischen dem geringsten und dem größten Verdichtungsverhältnis von 2,5 bis 6 Einheiten, besonders bevorzugt von 3 bis 4 Einheiten. Denkbar ist sowohl eine stufenlose Anpassung der Verdichtung als auch eine Dreipunkt- oder Zweipunktverstellung, welche sich technisch einfacher umsetzen lassen. Mit einem variablen Verdichtungsverhältnis zwischen 13 und 23, insbesondere zwischen 14 und 20, lässt sich eine Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände vornehmen, bei dem eine verbesserte Kaltstartfähigkeit, ein beschleunigtes Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten und ein maximaleffizienter Normalbetrieb des Verbrennungsmotors möglich ist.Preferably, the compression ratio of the internal combustion engine is in between 13 and 23 , wherein the compression ratio is variable continuously or in two or more concrete stages. In this case, the difference between the lowest compression ratio and the largest compression ratio is preferably 2 to 8th Units. Preferably, a difference between the lowest and the largest compression ratio of 2.5 to 6 Units, more preferably of 3 to 4 Units. Conceivable is both a continuous adjustment of the compression and a three-point or two-point adjustment, which can be technically easier to implement. With a variable compression ratio between 13 and 23 , especially between 14 and 20 , An adaptation to different operating conditions can be made, in which an improved cold start capability, accelerated heating of the exhaust aftertreatment components and a maximum efficient normal operation of the internal combustion engine is possible.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis in einer ersten Stufe mit hoher Verdichtung zwischen 17 und 23 und in einer zweiten Stufe mit geringer Verdichtung zwischen 13 und 17 liegt.In a preferred embodiment of the invention it is therefore provided that the compression ratio in a first stage with high compression between 17 and 23 and in a second stage with low compression between 13 and 17 lies.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor in einem ersten Betriebszustand, insbesondere bei niedriger Last, mit einem hohen Verdichtungsverhältnis betrieben wird, wobei ausschließlich durch die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Durch eine Kombination von hohem Verdichtungsverhältnis und kleiner Einspritzmenge, welche ausschließlich durch die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises eindosiert wird, kann insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors verbessert werden.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the internal combustion engine is operated in a first operating state, in particular at low load, with a high compression ratio, wherein fuel is injected into the combustion chamber exclusively through the injection openings of the first bolt circle. By a combination of high compression ratio and small injection quantity, which is metered exclusively through the injection openings of the first bolt circle, the operating behavior of the internal combustion engine can be improved, in particular in a cold start phase of the internal combustion engine.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor in einem zweiten Betriebszustand, insbesondere bei hoher Last, mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis betrieben wird, wobei Kraftstoff sowohl durch die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises als auch durch die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises eingespritzt wird. Durch eine Einspritzung durch die Spritzöffnungen beider Lochkreise und ein reduziertes Verdichtungsverhältnis kann der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb einen höheren Wirkungsgrad erzielen.In an advantageous embodiment it is provided that the internal combustion engine is operated in a second operating state, in particular at high load, with a low compression ratio, wherein fuel is injected both through the injection openings of the first pitch circle and through the injection openings of the second pitch circle. Through an injection through the injection openings of both hole circles and a reduced compression ratio of the internal combustion engine can achieve a higher efficiency in normal operation.

In einer vorteilhaften Verbesserung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis durch eine Änderung der effektiven Pleuellänge eines mit dem Kolben verbundenen Pleuels veränderbar ist. Durch eine Änderung der effektiven Pleuellänge kann das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors angepasst werden, um die vorstehend genannten Vorteile zu erzielen In an advantageous improvement of the internal combustion engine, it is provided that the compression ratio can be changed by changing the effective connecting rod length of a connecting rod connected to the piston. By changing the effective connecting rod length, the compression ratio of the internal combustion engine can be adjusted to achieve the aforementioned advantages

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben an seiner der Kraftstoffeinspritzdüse zugewandten Stirnfläche eine Verbrennungsmulde aufweist. Durch eine Verbrennungsmulde kann die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum begünstigt werden, wobei eine optimale Durchmischung von dem in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff und der durch die Einlassventile zugeführten Luft möglich ist.In a further improvement of the invention, it is provided that the piston has a combustion recess on its end face facing the fuel injection nozzle. Through a combustion bowl, the combustion of the fuel-air mixture in the combustion chamber can be favored, wherein an optimal mixing of the fuel injected into the combustion chamber and the air supplied through the intake valves is possible.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Motorblock und einem Zylinderkopf vorgeschlagen, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Brennraum, vorzugsweise mindestens drei Brennräume, umfasst. In den Brennräumen ist ein über einen Pleuel mit einer Kurbelwelle verbundener Kolben verschiebbar, über welchen ein Verbrennungsgemisch in dem Brennraum des Verbrennungsmotors verdichtbar ist. An dem Zylinderkopf ist mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil angeordnet, welches eine Kraftstoffeinspritzdüse umfasst. Dabei ist ein Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors, insbesondere durch eine Veränderung der effektiven Pleuellänge, veränderbar. Die Kraftstoffeinspritzdüse hat eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen, welche auf einen ersten Lochkreis und einen zweiten Lochkreis verteilt über den Umfang der Kraftstoffeinspritzdüse angeordnet sind. Dabei wird der Verbrennungsmotor in einem ersten Betriebszustand bei niedriger Last mit einem hohen Verdichtungsverhältnis von 17 bis 23 betrieben, wobei in diesem Betriebszustand ausschließlich Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises in den Brennraum eingespritzt wird. Ferner wird der Verbrennungsmotor in einem zweiten Betriebszustand bei hoher Last mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis von 13 bis 17 betrieben, wobei durch die Einspritzöffnungen beider Lochkreise Kraftstoff in den mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren können die Abgasnachbehandlungskomponenten nach einem Kaltstart schneller auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden und die Kaltstartfähigkeit des Verbrennungsmotors im Allgemeinen verbessert werden und im Normalbetrieb der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verbessert werden, da das Verdichtungsverhältnis nicht mehr als Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen auszulegen ist, sondern jeweils an die Betriebssituation angepasst werden kann.According to the invention, a method for operating an internal combustion engine with an engine block and a cylinder head is proposed, wherein the internal combustion engine comprises at least one combustion chamber, preferably at least three combustion chambers. In the combustion chambers connected via a connecting rod with a crankshaft piston is displaceable, via which a combustion mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine is compressible. At least one fuel injection valve, which comprises a fuel injection nozzle, is arranged on the cylinder head. In this case, a compression ratio of the internal combustion engine, in particular by a change in the effective connecting rod length, changeable. The fuel injection nozzle has a plurality of injection openings which are arranged on a first pitch circle and a second pitch circle distributed over the circumference of the fuel injection nozzle. In this case, the internal combustion engine is in a first operating state at low load with a high compression ratio of 17 to 23 operated, in this operating state, only fuel is injected through the injection openings of the first bolt circle in the combustion chamber. Further, in a second operating state, the internal combustion engine becomes under high load with a low compression ratio of 13 to 17 operated, wherein in the at least one combustion chamber of the internal combustion engine is injected through the injection openings of both hole circles fuel. By an inventive method, the exhaust aftertreatment components can be brought to their operating temperature after a cold start faster and the cold start capability of the engine are generally improved and the efficiency of the engine can be improved in normal operation, since the compression ratio is no longer interpreted as a compromise between the different requirements, but can be adapted to the operating situation.

In einer Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor bei niedrigen Temperaturen in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 250°C, besonders bevorzugt bei Temperaturen von weniger als 150°C mit dem hohen Verdichtungsverhältnis betrieben wird, um die Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu verbessern und das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten zu begünstigen, und bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 350°C mit dem niedrigen Verdichtungsverhältnis zu betreiben. Dadurch können in einer Phase, in der kein weiteres Aufheizen der Komponenten der Abgasnachbehandlung in der Abgasanlage notwendig ist, die Laufruhe des Verbrennungsmotors verbessert und die Stickoxidemissionen verringert werden. Dadurch ist es möglich, bei niedriger Temperatur im Abgaskanal das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten weiter zu verbessern und gegebenenfalls bei hohen Temperaturen im Abgaskanal kennfeldweit auf das hohe Verdichtungsverhältnis zu verzichten, wodurch die Effizienz des Verbrennungsmotors gesteigert werden kann.In an improvement of the method is provided that the internal combustion engine is operated at low temperatures in the exhaust system of the internal combustion engine, especially at temperatures below 250 ° C, more preferably at temperatures of less than 150 ° C with the high compression ratio to the cold start phase of To improve internal combustion engine and to promote the heating of the exhaust aftertreatment components, and to operate at high temperatures, especially at temperatures above 350 ° C with the low compression ratio. As a result, in a phase in which no further heating of the components of the exhaust aftertreatment in the exhaust system is necessary, the running smoothness of the internal combustion engine can be improved and the nitrogen oxide emissions can be reduced. This makes it possible, at low temperature in the exhaust duct to further improve the heating of the exhaust aftertreatment components and optionally omit the high compression ratio at high temperatures in the exhaust duct across the board, whereby the efficiency of the internal combustion engine can be increased.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis und eine Kraftstoffeinspritzdüse mit mehreren Lochkreisen;
  • 2 eine Kraftstoffeinspritzdüse eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, bei der mehrere Einspritzöffnungen auf zwei Lochkreise verteilt sind;
  • 3 eine schematische Darstellung eines ersten Betriebszustandes des Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor bei einer niedrigen Teillast mit einem hohen Verdichtungsverhältnis betrieben wird und die Düsennadel nur soweit öffnet, dass der Kraftstoff ausschließlich durch die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises in den Brennraum eingebracht wird; und
  • 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Betriebszustandes des Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor mit einer hohen Teillast oder Volllast mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis betrieben wird und die Düsennadel der Kraftstoffeinspritzdüse soweit öffnet, dass Kraftstoff sowohl durch die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises als auch durch die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises in den Brennraum eingebracht wird.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Identical components or components with the same function are identified in the different figures with the same reference numerals. Show it:
  • 1 a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention with a variable compression ratio and a fuel injector with a plurality of bolt holes;
  • 2 a fuel injection nozzle of an internal combustion engine according to the invention, in which a plurality of injection openings are distributed on two bolt holes;
  • 3 a schematic representation of a first operating state of the internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is operated at a low partial load with a high compression ratio and the nozzle needle opens only so far that the fuel is introduced exclusively through the injection openings of the first pitch circle in the combustion chamber; and
  • 4 a schematic representation of a second operating state of the internal combustion engine, wherein the internal combustion engine with a high part load or full load with a low compression ratio is operated and the nozzle needle of the fuel injector opens so far that fuel is introduced through both the injection openings of the first pitch circle and through the injection openings of the second pitch circle in the combustion chamber.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Motorblock 12 und einen mit dem Motorblock 12 verbundenen Zylinderkopf 14 auf, wobei in einer Bohrung des Motorblocks 12 ein Kolben 18 angeordnet ist, welcher über ein Pleuel 34 mit einer Kurbelwelle 58 verbunden ist. Die Bohrung stellt eine Zylinderwand 38 dar, an welcher der Kolben 18 mittels Kolbenringen in bekannter Weise geführt wird. Der Kolben 18 und der Zylinderkopf 14 begrenzen einen Brennraum 16 des Verbrennungsmotors 10. Ferner sind in dem Zylinderkopf 14 ein Einlasskanal und ein Auslasskanal für den Gaswechsel des Brennraums 16 ausgebildet, wobei die jeweiligen Kanäle durch ein Einlassventil 40 beziehungsweise ein Auslassventil 42 verschlossen werden können, sodass das Einströmen beziehungsweise Ausströmen in den Brennraum 16 temporär unterbunden wird. Zum Öffnen des Einlassventils 40 ist eine Einlassnockenwelle 54 vorgesehen, deren Nocken das Einlassventil 40 in Richtung des Brennraums 16 drückt, sodass das Einlassventil 40 geöffnet wird. Zum Betätigen des Auslassventils 42 ist eine Auslassnockenwelle 56 vorgesehen, wobei ein Nocken der Auslassnockenwelle 56 das Öffnen und Schließen des Auslassventils 42 steuert. Ferner ist an dem Zylinderkopf 14 eine Bohrung zur Aufnahme eines Kraftstoffeinspritzventils 36, insbesondere eines Kraftstoffinjektors eines Hochdruck-Einspritzsystems, ausgebildet, in welche ein Kraftstoffeinspritzventil 36 eingesetzt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 36 weist an seinem dem Brennraum 16 zugewandten Ende eine Kraftstoffeinspritzdüse 20 auf, an der eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen 22, 24 ausgebildet ist. Dabei sind die Einspritzöffnungen 22, 24 auf einen ersten Lochkreis 26 und einen zweiten Lochkreis 28 verteilt, wobei die Einspritzöffnungen 22 auf dem ersten Lochkreis 26 und die Einspritzöffnungen 24 auf dem zweiten Lochkreis 28 angeordnet sind. Dabei bilden die Einspritzöffnungen 22 des ersten Lochkreises 26 einen ersten Einspritzkegel aus, welcher einen Kegelwinkel α von 155° bis 175° aufweist und die Einspritzöffnungen 24 des zweiten Lochkreises 28 einen zweiten Einspritzkegel auf, welcher einen Kegelwinkel β von 90° bis 170° aufweist, wobei der Kegelwinkel α des ersten Einspritzkegels mindesten 5° größer als der Kegelwinkel β des zweiten Einspritzkegels ist. Der Kolben 18 weist an einer der Kraftstoffeinspritzdüse 20 zugewandten Stirnfläche 30 eine Verbrennungsmulde 32 auf, wobei zumindest der Einspritzkegel der Einspritzöffnungen 22 bei einer Kolbenposition nahe des oberen Totpunktes in die Verbrennungsmulde 32 gerichtet ist. Das Verdichtungsverhältnis des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 ist variabel, indem auf bekannte Art und Weise eine effektive Pleuellänge IP des Pleuels 34 verändert werden kann und somit der Abstand des Kolbens 18 zum Zylinderkopf 14 am oberen Totpunkt variiert werden kann. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention 10 , The internal combustion engine 10 has an engine block 12 and one with the engine block 12 connected cylinder head 14 on, being in a bore of the engine block 12 a piston 18 is arranged, which via a connecting rod 34 with a crankshaft 58 connected is. The bore represents a cylinder wall 38 at which the piston 18 is guided by piston rings in a known manner. The piston 18 and the cylinder head 14 limit a combustion chamber 16 of the internal combustion engine 10 , Further, in the cylinder head 14 an inlet channel and an outlet channel for the gas exchange of the combustion chamber 16 formed, wherein the respective channels through an inlet valve 40 or an outlet valve 42 can be closed, so that the inflow or outflow into the combustion chamber 16 is temporarily prevented. To open the inlet valve 40 is an intake camshaft 54 whose cam is the inlet valve 40 in the direction of the combustion chamber 16 presses so that the inlet valve 40 is opened. To operate the exhaust valve 42 is an exhaust camshaft 56 provided, wherein a cam of the exhaust camshaft 56 the opening and closing of the exhaust valve 42 controls. Further, on the cylinder head 14 a bore for receiving a fuel injection valve 36 , in particular a fuel injector of a high-pressure injection system, in which a fuel injection valve 36 is used. The fuel injector 36 indicates at its the combustion chamber 16 facing the end of a fuel injector 20 on, at the a plurality of injection openings 22 . 24 is trained. Here are the injection openings 22 . 24 on a first bolt circle 26 and a second circle of holes 28 distributed, with the injection openings 22 on the first bolt circle 26 and the injection openings 24 on the second circle of holes 28 are arranged. In this case, the injection openings 22 of the first bolt circle 26 a first injection cone, which has a cone angle α of 155 ° to 175 ° and the injection openings 24 of the second circle of holes 28 a second injection cone, which has a cone angle β from 90 ° to 170 °, wherein the cone angle α of the first injection cone is at least 5 ° greater than the cone angle β of the second injection cone. The piston 18 indicates a fuel injector 20 facing end face 30 a combustion bowl 32 on, wherein at least the injection cone of the injection openings 22 at a piston position near top dead center into the combustion bowl 32 is directed. The compression ratio of the internal combustion engine according to the invention 10 is variable, by a known manner an effective connecting rod length I P of the connecting rod 34 can be changed and thus the distance of the piston 18 to the cylinder head 14 can be varied at the top dead center.

2 zeigt eine Kraftstoffeinspritzdüse 20 eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 in vergrößerter Darstellung. Die Kraftstoffeinspritzdüse 20 weist einen Düsenkörper 44 und eine Düsennadel 46 auf, welche als Schließglied dient und in einem Ventilsitz 48 am Düsenkörper 44 anliegt. In dem Düsenkörper 44 sind eine erste Gruppe von Einspritzöffnungen, insbesondere von Spritzlöchern, 22 ausgebildet, welche einen Durchmesser D1 aufweisen und auf einem ersten Lochkreis 26 der Kraftstoffeinspritzdüse 20 angeordnet sind. In dem Düsenkörper 44 sind ferner eine zweite Gruppe von Einspritzöffnungen 24 ausgebildet, welche auf einem zweiten Lochkreis 28 angeordnet sind, und einen Durchmesser D2 aufweisen. Der erste Lochkreis 26 und der zweite Lochkreis 28 sind in einem konischen Abschnitt 52 des Düsenkörpers 44 ausgebildet, sodass der erste Lochkreis 26 einen kleineren Durchmesser D3 als der zweite Lochkreis 28 aufweist, welcher einen größeren Durchmesser D4 hat. Dabei ist der Kegelwinkel β der Einspritzöffnungen 24 des zweiten Lochkreises 28 kleiner, sodass der eingespritzte Kraftstoff tiefer in den Brennraum 16 eindringt. Der Kegelwinkel α der Einspritzöffnungen 22 des ersten Lochkreises 26 ist flacher, um insbesondere nahe des oberen Totpunktes Kraftstoff in die Verbrennungsmulde 32 des Kolbens 18 einbringen zu können und nicht auf die vergleichsweise kalten Zylinderwände 38 zu treffen. Die Kraftstoffeinspritzdüse 20 weist ferner eine Düsenkuppe 50 auf, welche dem Brennraum 16 zugewandt ist. Die Anzahl der Einspritzöffnungen 24 auf dem zweiten Lochkreis 28 beträgt vorzugsweise 50 % der Einspritzöffnungen 22 auf dem ersten Lochkreis 26. Bevorzugt liegt der Durchfluss des zweiten Lochkreises bei 50 % bis 400 % des ersten Lochkreises, besonders bevorzugt bei 70 % bis 200 %, wobei die Einspritzöffnungen 24 des zweiten Lochkreises 28 einen größeren Durchmesser D2 als die Einspritzöffnungen 22 des ersten Lochkreises 26 aufweisen. Die Anordnung der Einspritzöffnungen 24 des zweiten Lochkreises 28 ist bevorzugt so zu wählen, dass die Strahlkegel des zweiten Lochkreises 28 zwischen den Strahlkegeln des ersten Lochkreises 26 liegen. Dies bedeutet, dass in Sicht auf das Kraftstoffeinspritzventil 36 von unten oder oben die Einspritzöffnungen 24 des zweiten Lochkreises 28 von einer Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Einspritzöffnungen 22 des ersten Lochkreises bevorzugt um weniger als 20° abweichen, wobei sie besonders bevorzugt symmetrisch auf der Winkelhalbierenden angeordnet werden. 2 shows a fuel injector 20 an internal combustion engine according to the invention 10 in an enlarged view. The fuel injector 20 has a nozzle body 44 and a nozzle needle 46 on, which serves as a closing member and in a valve seat 48 on the nozzle body 44 is applied. In the nozzle body 44 are a first group of injection openings, in particular of spray holes, 22 formed, which has a diameter D 1 and on a first pitch circle 26 the fuel injector 20 are arranged. In the nozzle body 44 are also a second group of injection ports 24 formed, which on a second bolt circle 28 are arranged, and a diameter D 2 exhibit. The first bolt circle 26 and the second bolt circle 28 are in a conical section 52 of the nozzle body 44 formed so that the first bolt circle 26 a smaller diameter D 3 as the second circle of holes 28 which has a larger diameter D 4 Has. Here is the cone angle β injection ports 24 of the second circle of holes 28 smaller, so that the injected fuel deeper into the combustion chamber 16 penetrates. The cone angle α of the injection openings 22 of the first bolt circle 26 is flatter, in particular near the top dead center fuel in the combustion bowl 32 of the piston 18 and not on the comparatively cold cylinder walls 38 hold true. The fuel injector 20 also has a nozzle tip 50 on which the combustion chamber 16 is facing. The number of injection ports 24 on the second circle of holes 28 is preferably 50% of the injection openings 22 on the first bolt circle 26 , Preferably, the flow rate of the second pitch circle is 50% to 400% of the first pitch circle, more preferably 70% to 200%, wherein the injection openings 24 of the second circle of holes 28 a larger diameter D 2 as the injection ports 22 of the first bolt circle 26 exhibit. The arrangement of injection ports 24 of the second circle of holes 28 is preferably to be chosen so that the beam cone of the second bolt circle 28 between the beam cones of the first pitch circle 26 lie. This means that in view of the fuel injector 36 from below or above the injection openings 24 of the second circle of holes 28 from an angle bisector between two adjacent injection openings 22 the first circle of holes preferably deviate by less than 20 °, wherein they are particularly preferably arranged symmetrically on the bisector.

In 3 ist ein erster Betriebszustand eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 mit einem variablen Verdichtungsverhältnis ε und einer Kraftstoffeinspritzdüse 20 mit mehreren Einspritzöffnungen 22, 24 auf unterschiedlichen Lochkreisen 26, 28 dargestellt. Dabei kann das variable Verdichtungsverhältnis ε durch eine Verstellung der Kolbenposition im oberen Totpunkt erreicht werden. Die Lochkreise 26, 28 weisen dabei unterschiedliche Kegelwinkel α, β für die Einspritzstrahlen des eindosierten Kraftstoffs auf, sodass eine je nach Verdichtungsverhältnis ε unterschiedliche Kolbenposition berücksichtigt wird. In dem ersten Betriebszustand A wird der Verbrennungsmotor 10 mit hoher Verdichtung ε1 bei kleinem Drehmoment T und entsprechend kleinen Einspritzmengen betrieben, wobei beim Kolben 18 eine hohe Kolbenposition eingestellt wird. Dabei liegt das Verdichtungsverhältnis ε1 bei Werten zwischen 17 und 23. Das Ziel eines solchen hohen Verdichtungsverhältnisses ε1 ist die Verbesserung der Stabilität bei einer späten Verbrennungsschwerpunktlage der Verbrennung. Diese Kombination aus später Verbrennungsschwerpunktlage und einem hohen Verdichtungsverhältnis ε1 dient dem Zweck der schnellen Aufheizung nachgeschalteter motornaher Abgasnachbehandlungskomponenten wie einem NOx-Speicherkatalysator, einem Oxidationskatalysator, einem Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) und/oder einem Partikelfilter, um diese Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 auf eine Aktivierungstemperatur zu bringen. Diese Kombination dient ferner dem Ziel, die notwendige Temperatur zu erhalten sowie entsprechend Abgasnachbehandlungskomponenten aufzuheizen, sodass ein schneller und stabiler Betrieb dieser Abgasnachbehandlungskomponenten möglich ist. Insbesondere kann dieser erste Betriebszustand auch zur Aufheizung des Partikelfilters auf eine Regenerationstemperatur genutzt werden. In 3 is a first operating state of an internal combustion engine according to the invention 10 with a variable compression ratio ε and a fuel injector 20 with several injection openings 22 . 24 on different hole circles 26 . 28 shown. The variable compression ratio ε be achieved by adjusting the piston position at top dead center. The bolt circles 26 . 28 have different cone angles α . β for the injection jets of the metered fuel, so that one depending on the compression ratio ε different piston position is taken into account. In the first operating state A, the internal combustion engine 10 with high compression ε 1 at low torque T and operated according to small injection quantities, wherein the piston 18 a high piston position is set. This is the compression ratio ε 1 at values between 17 and 23 , The goal of such a high compression ratio ε 1 is the improvement of the stability at a late combustion center of combustion. This combination of later combustion center position and a high compression ratio ε 1 serves the purpose of rapid heating of downstream close-coupled exhaust aftertreatment components such as a NOx storage catalyst, an oxidation catalyst, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalyst) and / or a particulate filter to this exhaust aftertreatment as soon as possible after a cold start of the engine 10 to bring to an activation temperature. This combination also serves the purpose of obtaining the necessary temperature and heating according to exhaust aftertreatment components, so that a faster and more stable operation of these exhaust aftertreatment components is possible. In particular, this first operating state can also be used for heating the particle filter to a regeneration temperature.

Die Schwerpunktlage der Verbrennung kann bei einem solch hohen Verdichtungsverhältnis ε1 zwischen 20°KW bis 50°KW nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 18 erreichen, die mit niedrigeren Verdichtungsverhältnissen von aus dem Stand der Technik bekannten direkteinspritzenden Dieselmotoren nicht möglich sind. Dazu ist eine Haupteinspritzung mit einer Schwerpunktlage von vorzugsweise 5°KW bis 20°KW nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 18 sinnvoll. Bevorzugt wird diese Haupteinspritzung durch eine dicht vorgelagerte Voreinspritzung ergänzt, bei der die Menge des eingespritzten Kraftstoffes 10 % der Menge der Haupteinspritzung nicht überschreitet und im Bereich von 1 mg bis 3,5 mg Kraftstoff liegt. Dabei sollte die Voreinspritzung nicht mehr als 50°KW vor der Haupteinspritzung liegen. Ferner ist es zur brennrauminternen Nachoxidation der bei späten Verbrennungsschwerpunktlagen entstehenden Partikelmehremission sinnvoll, eine frühe Nacheinspritzung vorzusehen, bei welcher eine Einspritzmenge, die nicht mehr als 20 % der Einspritzmenge der Haupteinspritzung beträgt, in den Brennraum 16 eindosiert wird. Dabei liegt die Einspritzmenge der Nacheinspritzung im Bereich von 1 mg bis 8 mg Kraftstoff, welche bevorzugt zwischen 5°KW und 50°KW nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 18 eingespritzt wird. Bei den kleinen Einspritzmengen in diesem ersten Betriebszustand erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes ausschließlich durch die Einspritzöffnungen 22 auf dem ersten Lochkreis 26 mit einem breiten Kegelwinkel α in die Verbrennungsmulde 32 des Kolbens 18.The center of gravity of combustion can be at such a high compression ratio ε 1 between 20 ° CA to 50 ° CA after top dead center of the piston 18 reach, which are not possible with lower compression ratios of known from the prior art direct injection diesel engines. For this purpose, a main injection with a center of gravity of preferably 5 ° CA to 20 ° CA after top dead center of the piston 18 meaningful. Preferably, this main injection is supplemented by a close-up pilot injection, in which the amount of injected fuel does not exceed 10% of the amount of main injection and is in the range of 1 mg to 3.5 mg of fuel. The pre-injection should not be more than 50 ° CA before the main injection. Furthermore, it is useful for internal combustion chamber post-oxidation of the resulting in late combustion center of gravity particulate matter emission to provide an early post injection, in which an injection amount that is not more than 20% of the injection quantity of the main injection into the combustion chamber 16 is metered. In this case, the injection quantity of the post-injection is in the range from 1 mg to 8 mg of fuel, which is preferably between 5 ° CA and 50 ° CA after top dead center of the piston 18 is injected. In the case of the small injection quantities in this first operating state, the injection of the fuel takes place exclusively through the injection openings 22 on the first bolt circle 26 with a wide cone angle α into the combustion chamber 32 of the piston 18 ,

In 4 ist ein zweiter Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt, bei dem das Verdichtungsverhältnis ε gegenüber dem ersten Betriebszustand abgesenkt ist, sodass ein guter Kompromiss aus Leistungsanforderung, Triebwerksbelastung und Partikel-NOx-Trade-Off erreicht wird. Die Werte des Verdichtungsverhältnisses ε2 für diesen zweiten Betriebszustand liegen dabei im Bereich von 13 < ε1 < 17. Die Spreizung zwischen dem höheren Verdichtungsverhältnis ε1 und dem niedrigeren Verdichtungsverhältnis ε2 liegt dabei vorzugsweise bei maximal 8 Einheiten, besonders bevorzugt bei 2,5 - 6 Einheiten, idealerweise bei 3 - 4 Einheiten. Denkbar sind sowohl eine stufenlose Anpassung des Verdichtungsverhältnisses als auch eine Zweipunkt- oder Dreipunkt-Verstellung. Im Folgenden wird von einer Zweipunktverstellung zwischen dem höheren Verdichtungsverhältnis ε1 und dem niedrigeren Verdichtungsverhältnis ε2 ausgegangen, das Verfahren ist aber auch bei einer Mehrpunktverstellung oder einer stufenlosen Verstellung umsetzbar.In 4 is a second operating state of the internal combustion engine 10 shown in which the compression ratio ε lowered compared to the first operating state, so that a good compromise between power demand, engine load and particulate NOx trade-off is achieved. The values of the compression ratio ε 2 for this second operating state are in the range of 13 < ε 1 <17. The spread between the higher compression ratio ε 1 and the lower compression ratio ε 2 is preferably at maximum 8th Units, more preferably at 2.5 - 6 Units, ideally at 3 - 4 units. Conceivable are both a continuous adjustment of the compression ratio as well as a two-point or three-point adjustment. The following is a two-point adjustment between the higher compression ratio ε 1 and the lower compression ratio ε 2 but the method can also be implemented with a multi-point adjustment or a stepless adjustment.

Die Festlegung des optimalen Verdichtungsverhältnisses erfolgt bevorzugt über ein Drehzahl- und Drehmoment-Kennfeld oder über ein Einspritzmengenkennfeld, wobei bevorzugt bei Drehzahlen n von weniger als 2500 U/min und Drehmomenten beziehungsweise Einspritzmengen von weniger als der Hälfte der Maximalwerte das abgastemperatursteigernde (aber Wirkungsgrad-ungünstigere) hohe Verdichtungsverhältnis ε1 eingestellt wird. Zur Darstellung eines möglichst günstigen Verbrauchs ist es sinnvoll, diese Grundeinstellung über weitere Einflussgrößen zu korrigieren. Über die gemessene oder modellierte Temperatur zumindest eines Bauteils einer dem Verbrennungsmotor 10 nachgeschalteten Abgasanlage kann diese Grundeinstellung bei niedrigen Temperaturen T1 , insbesondere bei Temperaturen von weniger als 150°C hin zu höheren Drehzahlen und/oder Einspritzmengen oder Drehmomenten verschoben werden. Umgekehrt kann bei hohen Temperaturen T2 , insbesondere bei Temperaturen von mehr als 350°C, bei denen kein Bedarf eines weiteren Heizens oder Warmhaltens besteht, auch ein kleinerer Kennfeldbereich mit hohem Verdichtungsverhältnis ε1 vorgesehen werden. Gegebenenfalls ist es möglich, bei hohen Temperaturen T2 im Abgaskanal kennfeldweit auf einen Betrieb mit hohem Verdichtungsverhältnis ε1 zu verzichten. Weitere Einflussgrößen zur Bestimmung des aktuell optimalen Verdichtungsverhältnisses ε können sein: Kühlmitteltemperatur, Umgebungs- oder Ansauglufttemperatur, Ladedruck, Öltemperatur, Ladelufttemperatur, Spitzendruck im Brennraum 16, sowie weitere gemessene oder modellierte Temperaturen, insbesondere im Abgaskanal des Verbrennungsmotors. Ferner ist eine Umschalthysterese zwischen dem hohen Verdichtungsverhältnis ε1 und dem niedrigen Verdichtungsverhältnis ε2 vorgesehen.The determination of the optimal compression ratio is preferably carried out via a speed and torque characteristic map or via an injection quantity map, wherein preferably at speeds n of less than 2500 rpm and torques or injection quantities of less than half of the maximum values, the high-compression ratio (but less favorable for efficiency) high compression ratio ε 1 is set. To illustrate the most favorable consumption, it makes sense to correct this basic setting on other factors influencing. About the measured or modeled temperature of at least one component of the internal combustion engine 10 Downstream exhaust system, this default setting at low temperatures T 1 , Be shifted in particular at temperatures of less than 150 ° C to higher speeds and / or injection quantities or torques. Conversely, at high temperatures T 2 , Especially at temperatures above 350 ° C, where there is no need for further heating or keeping warm, even a smaller map area with high compression ratio ε 1 be provided. If necessary, it is possible at high temperatures T 2 in the exhaust duct across the board for operation with a high compression ratio ε 1 to renounce. Further factors influencing the determination of the currently optimal compression ratio ε may be: coolant temperature, ambient or intake air temperature, boost pressure, oil temperature, charge air temperature, peak pressure in the combustion chamber 16 , as well as other measured or modeled temperatures, in particular in the exhaust passage of the internal combustion engine. Furthermore, a switching hysteresis is between the high compression ratio ε 1 and the low compression ratio ε 2 intended.

Die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ε, insbesondere eine vorgeschlagene Zweipunktverstellung, kann durch die Änderung der effektiven Pleuellänge IP erfolgen. Alternativ ist eine Anhebung beziehungsweise Absenkung des Zylinderkopfes 14 denkbar, um das Verdichtungsverhältnis ε anzupassen. Ein Umschalten von einer Einspritzung durch die Einspritzöffnungen 22 des ersten Lochkreises 26 auf sämtliche Einspritzöffnungen 22, 24 ist durch eine entsprechende Ausformung von Düsennadel 46 und Düsenkörper 44 möglich, wobei die Düsennadel 46 direkt oder indirekt angesteuert werden kann.The adjustment of the compression ratio ε , in particular a proposed two-point adjustment, by the change of the effective Pleuellänge I P respectively. Alternatively, an increase or decrease of the cylinder head 14 conceivable to the compression ratio ε adapt. A switching from an injection through the injection ports 22 of the first bolt circle 26 on all injection openings 22 . 24 is by a corresponding shape of nozzle needle 46 and nozzle body 44 possible, with the nozzle needle 46 can be controlled directly or indirectly.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1212
Motorblockblock
1414
Zylinderkopfcylinder head
1616
Brennraumcombustion chamber
1818
Kolben piston
2020
Kraftstoffeinspritzdüsefuel Injector
2222
Einspritzöffnung (auf dem ersten Lochkreis)Injection opening (on the first bolt circle)
2424
Einspritzöffnung (auf dem zweiten Lochkreis)Injection opening (on the second bolt circle)
2626
erster Lochkreisfirst bolt circle
2828
zweiter Lochkreis second bolt circle
3030
Stirnfläche (des Kolbens)Face (of the piston)
3232
Verbrennungsmuldecombustion bowl
3434
Pleuelpleuel
3636
KraftstoffeinspritzventilFuel injection valve
3838
Zylinderwand cylinder wall
4040
Einlassventilintake valve
4242
Auslassventiloutlet valve
4444
Düsenkörpernozzle body
4646
Düsennadelnozzle needle
4848
Ventilsitz valve seat
5050
Düsenkuppeinjector cap
5252
konischer Abschnittconical section
5454
Einlassnockenwelleintake camshaft
5656
Auslassnockenwelleexhaust
5858
Kurbelwelle crankshaft
εε
Verdichtungsverhältniscompression ratio
ε1 ε 1
Verdichtungsverhältnis bei hoher KompressionCompression ratio at high compression
ε2 ε 2
Verdichtungsverhältnis bei niedriger Kompression Compression ratio at low compression
D1 D 1
Durchmesser der Einspritzöffnungen auf dem ersten LochkreisDiameter of injection ports on the first pitch circle
D2 D 2
Durchmesser der Einspritzöffnungen auf dem zweiten LochkreisDiameter of the injection openings on the second bolt circle
D3 D 3
Durchmesser des ersten LochkreisesDiameter of the first bolt circle
D4 D 4
Durchmesser des zweiten LochkreisesDiameter of the second bolt circle
IP I P
Länge des Pleuels Length of the connecting rod
nn
Drehzahlrotation speed
TT
Drehmomenttorque
T1 T 1
erste Temperatur im Abgaskanalfirst temperature in the exhaust duct
T2 T 2
zweite Temperatur im Abgaskanalsecond temperature in the exhaust duct

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2016/016194 A1 [0003]WO 2016/016194 A1 [0003]

Claims (15)

Verbrennungsmotor (10) mit einem Motorblock (12) und einem Zylinderkopf (14), wobei der Verbrennungsmotor (10) mindestens einen Brennraum (16) umfasst, in welchem ein Kolben (18) zur Verdichtung eines Verbrennungsluftgemisches angeordnet ist, und wobei in dem Zylinderkopf (14) mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (36) angeordnet ist, welches eine Kraftstoffeinspritzdüse (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsverhältnis (ε) des Verbrennungsmotors (10) variabel ist und die Kraftstoffeinspritzdüse (20) eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen (22, 24) aufweist, welche auf zwei unterschiedlichen Lochkreisen (26, 28) angeordnet sind.Internal combustion engine (10) with an engine block (12) and a cylinder head (14), wherein the internal combustion engine (10) at least one combustion chamber (16), in which a piston (18) for compressing a combustion air mixture is arranged, and wherein in the cylinder head (14) at least one fuel injection valve (36) is arranged, which comprises a fuel injection nozzle (20), characterized in that a compression ratio (ε) of the internal combustion engine (10) is variable and the fuel injection nozzle (20) has a plurality of injection openings (22, 24 ), which are arranged on two different hole circles (26, 28). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnungen (22) des ersten Lochkreises (26) einen flacheren Einspritzwinkel (α) als die Einspritzöffnungen (24) des zweiten Lochkreises (28) aufweisen.Internal combustion engine (10) after Claim 1 , characterized in that the injection openings (22) of the first pitch circle (26) have a shallower injection angle (α) than the injection openings (24) of the second pitch circle (28). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnungen (22) des ersten Lochkreises (26) einen kleineren Durchmesser (D1) als die Einspritzöffnungen (24) des zweiten Lochkreises (28) aufweisen.Internal combustion engine (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the injection openings (22) of the first pitch circle (26) have a smaller diameter (D 1 ) than the injection openings (24) of the second pitch circle (28). Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Einspritzöffnungen (22) auf dem ersten Lochkreis (26) größer als die Anzahl der Einspritzöffnungen (24) auf dem zweiten Lochkreis (28) ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the number of injection openings (22) on the first pitch circle (26) is greater than the number of injection openings (24) on the second pitch circle (28). Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Brennraum (16) des Verbrennungsmotors (10) zugewandte Spitze der Kraftstoffeinspritzdüse (20) konisch ausgebildet ist, sodass der erste Lochkreis (26) einen Durchmesser (D3) aufweist, welcher kleiner als ein Durchmesser (D4) des zweiten Lochkreises (28) ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the combustion chamber (16) of the internal combustion engine (10) facing tip of the fuel injector (20) is conical, so that the first bolt circle (26) has a diameter (D 3 ) which is smaller than a diameter (D 4 ) of the second bolt circle (28). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzwinkel (α) der Einspritzöffnungen (22) des ersten Lochkreises (26) zwischen 155° und 175° und der Einspritzwinkel (β) der Einspritzöffnungen (24) des zweiten Lochkreises (28) zwischen 90° und 170° liegt.Internal combustion engine (10) after Claim 2 , characterized in that the injection angle (α) of the injection openings (22) of the first pitch circle (26) between 155 ° and 175 ° and the injection angle (β) of the injection openings (24) of the second pitch circle (28) between 90 ° and 170 ° lies. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) als selbstzündender Verbrennungsmotor (10) nach dem Diesel-Prinzip ausgebildet ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the internal combustion engine (10) is designed as a self-igniting internal combustion engine (10) according to the diesel principle. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis (ε) des Verbrennungsmotors (10) zwischen 13 und 23 liegt, wobei das Verdichtungsverhältnis (ε) stufenlos oder in zwei oder mehr konkreten Stufen veränderbar ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the compression ratio (ε) of the internal combustion engine (10) is between 13 and 23, wherein the compression ratio (ε) is variable continuously or in two or more concrete stages. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis (ε) in einer ersten Stufe mit hoher Verdichtung zwischen 17 ≤ ε1 ≤ 23 und in einer zweiten Stufe mit niedriger Verdichtung zwischen 13 ≤ ε2 ≤ 17 liegt.Internal combustion engine (10) after Claim 8 , characterized in that the compression ratio (ε) in a first stage with high compression between 17 ≤ ε 1 ≤ 23 and in a second stage with low compression between 13 ≤ ε 2 ≤ 17. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) in einem ersten Betriebszustand mit einem hohen Verdichtungsverhältnis (ε1) betreibbar ist, wobei ausschließlich durch die Einspritzöffnungen (22) des ersten Lochkreises (26) Kraftstoff in den Brennraum (16) eingespritzt wird.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that the internal combustion engine (10) in a first operating state with a high compression ratio (ε 1 ) is operable, wherein only through the injection openings (22) of the first bolt circle (26) fuel is injected into the combustion chamber (16). Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) in einem zweiten Betriebszustand mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis (ε2) betreibbar ist, wobei Kraftstoff sowohl durch die Einspritzöffnungen (22) des ersten Lochkreises (26) als auch durch die Einspritzöffnungen (24) des zweiten Lochkreises (28) eingespritzt wird.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 10 characterized in that the internal combustion engine (10) is operable in a second operating condition with a low compression ratio (ε 2 ), wherein fuel passes both through the injection ports (22) of the first bolt circle (26) and through the injection ports (24) of the second Bolt circle (28) is injected. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis (ε) durch ein Änderung der effektiven Pleuellänge (IP) eines mit dem Kolben (18) verbundenen Pleuels (34) veränderbar ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that the compression ratio (ε) by a change in the effective connecting rod length (I P ) of a piston (18) connected to the connecting rod (34) is variable. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (18) an seiner der Kraftstoffeinspritzdüse (20) zugewandten Stirnfläche (30) eine Verbrennungsmulde (32) aufweist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 12 , characterized in that the piston (18) on its the fuel injection nozzle (20) facing end face (30) has a combustion bowl (32). Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Motorblock (12) und einem Zylinderkopf (14), wobei der Verbrennungsmotor (10) mindestens einen Brennraum (16) umfasst, in welchem ein Kolben (18) zur Verdichtung eines Verbrennungsluftgemisches angeordnet ist, und wobei in dem Zylinderkopf (14) mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (36) angeordnet ist, welches eine Kraftstoffeinspritzdüse (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsverhältnis (ε) des Verbrennungsmotors (10) variabel ist und die Kraftstoffeinspritzdüse (20) eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen (22, 24) aufweist, welche auf zwei unterschiedlichen Lochkreisen (26, 28) angeordnet sind, wobei der Verbrennungsmotor (10) in einem ersten Betriebszustand bei niedriger Last mit einem hohen Verdichtungsverhältnis (ε1) betrieben wird und ausschließlich durch die Einspritzöffnungen (22) auf dem ersten Lochkreis (26) der Kraftstoffeinspritzdüse (20) Kraftstoff in den Brennraum (16) eingespritzt wird, und wobei der Verbrennungsmotor (10) in einem zweiten Betriebszustand bei hoher Last mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis (ε2) betrieben wird, wobei durch die Einspritzöffnungen (22, 24) beider Lochkreise (26, 28) Kraftstoff in den Brennraum (16) eingespritzt wird.Method for operating an internal combustion engine (10) with an engine block (12) and a cylinder head (14), wherein the internal combustion engine (10) comprises at least one combustion chamber (16), in which a piston (18) for compressing a combustion air mixture is arranged, and wherein in the cylinder head (14) at least one fuel injection valve (36) is arranged, which comprises a fuel injection nozzle (20), characterized in that a compression ratio (ε) of the internal combustion engine (10) is variable and the fuel injection nozzle (20) has a plurality of injection openings (22, 24), which are arranged on two different hole circles (26, 28), wherein the internal combustion engine (10) is operated in a first operating state at low load with a high compression ratio (ε 1 ) and exclusively through the injection openings (22 ) on the first bolt circle (26) of the fuel injector (20) fuel in the combustion chamber (16) cc is scribed, and wherein the internal combustion engine (10) in a second operating state at high load with a low compression ratio (ε 2 ) is operated, wherein fuel is injected into the combustion chamber (16) through the injection openings (22, 24) of both bolt circuits (26, 28). Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) bei niedrigen Temperaturen (T1) in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors (10) mit dem hohen Verdichtungsverhältnis (ε1) und bei hohen Temperaturen (T2) im Abgaskanal mit dem niedrigen Verdichtungsverhältnis (ε2) betrieben wird.Method for operating an internal combustion engine (10) according to Claim 14 , characterized in that the internal combustion engine (10) at low temperatures (T 1 ) in an exhaust passage of the internal combustion engine (10) with the high compression ratio (ε 1 ) and at high temperatures (T 2 ) in the exhaust duct with the low compression ratio (ε 2 ) is operated.
DE102017116244.5A 2017-07-19 2017-07-19 Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine Pending DE102017116244A1 (en)

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