DE10315149A1 - Brennkraftmaschine mit Selbstzündung - Google Patents

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Martin Dipl.-Ing. Schnabel
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Abstract

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine aus, bei welcher der Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse mit mehreren Einspritzbohrungen direkt in einen Brennraum als Vor- und Haupteinspritzung und gegebenenfalls als eine Nacheinspritzung eingespritzt wird, wobei die Voreinspritzung vorzugsweise getaktet erfolgt. Um die Brennraumtemperatur zu verringern und hohe Brennraumdruckanstiege zu vermeiden, wird eine Wassermenge während oder nach der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung entstehen prinzipbedingt durch die heterogene Art der Verbrennungsführung zwangsläufig durch die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum sehr hohe Drücke und hohe Verbrennungstemperaturen, durch die insbesondere hohe NOx-Emissionen gebildet werden. Weiterhin entstehen durch die kraftstoffreichen Zonen erhebliche Mengen an Rußpartikeln, die teilweise bei den vorliegenden hohen Temperaturen oxidiert werden. Um die Nachteile einer solchen heterogenen Art der Verbrennungsführung zu vermeiden, wird für die modernen Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung eine kombinierte homogene/heterogene Betriebsweise angestrebt, mit der eine verbesserte Verbrennung erzielt werden soll.
  • Aus der EP 509 372 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein gasförmiger Hauptbrennstoff und ein flüssiger Sekundärbrennstoff verwendet werden, wobei mit dem Sekundärbrennstoff die Zündung des Hauptbrennstoffs eingeleitet wird. Dabei wird der flüssige Sekundärbrennstoff als eine Mischung von Wasser und Brennstoff in Form einer Piloteinspritzung in den Brennraum eingespritzt. Die Vermischung von Wasser mit dem flüssigen Brennstoff dient dazu, dass es der Piloteinspritzung ermöglicht wird, die Zündung des Hauptbrennstoffes einzuleiten, und das Volumen der von der Pumpe eingespritzten Mischung derart zu wählen, dass die Zerstäubung mittels der Einspritzdüse präzise gestaltet werden kann.
  • Aus der EP 459 083 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der Wasser und Dieselkraftstoff verwendet werden, welche mittels einer Kraftstoff/Wassereinspritzvorrichtung in den Brennraum der Brennkraftmaschine derart eingebracht werden, dass zunächst während einer Einspritzung Kraftstoff in einer Menge zwischen 5% oder mehr und 75% oder weniger einer Gesamtkraftstoffeinspritzmenge, anschließend eine vorbestimmte Menge an Wasser und schließlich der restliche Kraftstoff eingespritzt werden. Bei dieser Wasser/Dieselbrennkraftmaschine werden sowohl der Kraftstoff als auch das Wasser über ein einziges Kraftstoffeinspritzventil in den Brennraum eingespritzt, so dass ein Temperaturanstieg einer Flamme unterdrückt wird, um die Entstehung von NOx-Emissionen zu minimieren.
  • Nach heutigem Stand der Technik ist eine Steuerung der oben beschriebenen Verbrennung schwer erzielbar, da der Druckanstieg im Brennraum von den Kraftstoffanteilen der Vor- und Haupteinspritzung, dem Zündzeitpunkt der Voreinspritzung, dem Zündzeitpunkt der Haupteinspitzung sowie von dem Einspritzzeitpunkt der Vor- und Haupteinspritzung abhängt.
  • Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung zu schaffen, bei dem eine vollständige Verbrennung und eine gute Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum derart gestaltet werden, dass hohe Brennraumdruckanstiege und hohe Verbrennungstemperaturen vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während des Ansaug-, des Kompressions- und/oder des Ex pansionshubs zur Kühlung eines im Brennraum vorliegenden Gemisches eine Flüssigkeit mit einer hohen Verdampfungsenthalpie in den Brennraum eingebracht wird, so dass ein Druckanstieg im Brennraum verringert und gegebenenfalls ein Zündzeitpunkt der Vor- oder Haupteinspritzung verzögert wird. Somit wird weiterhin eine maximale Temperatur gesenkt. Vorzugsweise wird die kühlende Flüssigkeit mit einer hohen Verdampfungsenthalpie während des Ansaug- und/oder Kompressionshubs in den Brennraum eingebracht. Weiterhin kann der Zündzeitpunkt der Vor- und/oder Haupteinspritzung in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge der Voreinspritzung verzögert werden. Durch die in den Brennraum eingebrachte und als kühlendes Medium dienende Flüssigkeit wird eine kraftstoffseitige Kühlung vorgenommen, mit der der Zündzeitpunkt der Haupteinspitzung verzögert wird, so dass eine optimale Schwerpunktslage der Verbrennung erzielt wird und ein hoher Druckanstieg im Brennraum verringert wird. Vorzugsweise wird eine Abgasrückführung vorgenommen, um weiterhin die gebildeten Abgasemissionen insbesondere die NOx-Bildung noch weiter zu reduzieren.
  • In Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeit vor oder nach Beginn der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht. Durch eine nahezu gleichzeitige Einspritzung der kühlenden Flüssigkeit wird durch das Vorhandensein der kühlender Flüssigkeit während der Voreinspritzung durch die hohe Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit der angestrebte Kühlungseffekt vor der Zündung des homogenen Gemisches erzielt, welches durch die frühe Voreinspritzung gebildet wird. Dadurch wird der Zündzeitpunkt der Voreinspitzung verzögert, der Druckanstieg im Brennraum verringert und das Temperaturniveau gesenkt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wird die Flüssigkeit nach Beendigung der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht. Die Einbringung der als kühlendes Medium dienenden Flüssigkeit findet in diesem Fall nach der Zündung des homogenen Gemisches oder nach Beginn der Zündung des homogenen Gemisches statt, wodurch der Druckanstieg im Brennraum sowie eine maximale Temperatur herabgesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Einbringung der Flüssigkeit in den Brennraum vor dem Ende der Haupteinspritzung des Kraftstoffes beendet. Hierbei wird durch die Einbringung des kühlenden Mediums sowohl die Verbrennung des homogenen Vorgemisches als auch die Verbrennung des heterogenen Anteils der Haupteinspritzung beeinflusst, so dass der Druckanstieg verringert und das Temperaturniveau gesenkt wird. Dadurch kann der Einspritzbeginn der Einspritzungen und der Druckverlauf der Verbrennung optimiert werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeit in Form einer Wassermenge in den Brennraum eingebracht. Hierdurch wird dem Kraftstoff bzw, dem im Brennraum vorhandenen Gemisch Wärme entzogen, ohne dass die Gemischzusammensetzung verändert wird. Dies ist insbesondere bei einem Brennverfahren mit Vor-, Haupt- und gegebenenfalls Nacheinspritzung zweckmäßig und sinnvoll, da die Einspritzzeitpunkte sowie Kraftstoffmengen der jeweils vorgenommenen Teileinspritzungen betriebspunktabhängig geregelt werden. Es ist dennoch denkbar, dass erfindungsgemäß statt der Einbringung von Wasser eine andere Flüssigkeit mit einer vergleichbar hohen Verdampfungsenthalpie verwendet wird. Alternativ kann dabei die Einbringung eines zweiten Kraftstoffes vorgenommen werden, der eine vergleichbar hohe Verdampfungsenthalpie wie die vom Wasser aufweist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspitzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasseremulsion in den Brennraum eingebracht wird. Somit wird der angestrebte Kühlungseffekt gewährleistet, da die Vermischung von Wasser und Kraftstoff bereits vor der Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum vorgenommen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wassermenge mittels einer zusätzlichen Einspritzeinrichtung in den Brennraum eingebracht. Durch die Einbringung des Wassers mit einem separatem Injektor können hohe Kraftstoffeinspritzdrücke vorgenommen werden, ohne dass der Einsatz von Wasser in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung berücksichtigt werden muss.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser/Kraftstoff-Schichtung oder Kraftstoff/Wasser-Schichtung oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung in den Brennraum eingebracht wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Voreinspritzung in einem Kompressionshubbereich von ca. 150° KW bis 30°KW vor dem oberen Totpunkt vorgenommen. Dabei erfolgt die Voreinspritzung vorzugsweise getaktet. Durch die frühe Voreinspritzung und eine ggf. vorgenommene Taktung der Voreinspritzung wird das aus Kraftstoff, Luft und ggf. Abgas bestehende Grundgemisch verstärkt homogenisiert, so dass eine nachfolgende oder gleichzeitige Einbringung der Wassermenge eine gezielte Kühlung erzielen kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Haupteinspritzung und gegebenenfalls die Nacheinspritzung hintereinander um den oberen Totpunkt in einem Bereich von 20°KW vor dem oberen Totpunkt bis 40°KW nach dem oberen Totpunkt vorgenommen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs während eines Einspritzvorgangs geändert. Hierdurch soll eine Benetzung der Brennraumwände mit Kraftstoff vermieden werden. Vorzugsweise wird der Einspritzdruck betriebspunktabhängig und/oder gemäß einem im Brennraum herrschenden Gegendruck variiert, so dass die Kraftstoffwandbenetzung minimiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Voreinspritzung getaktet vorgenommen, wobei während der Voreinspritzung mittels einer im Brennraum gebildeten Drallbewegung eine während eines Einspritztaktes erzeugt Kraftstoffwolke eines Kraftstoffstrahles versetzt oder seitlich verschoben wird, so dass bei einem nachfolgendem Einspritztakt die neu eingespritzten Kraftstoffstrahlen nicht in die Kraftstoffwolke der vorangegangen Einspritztaktes eindringen. Hierdurch soll eine Benetzung der Brennraumwände mit Kraftstoff vermieden und eine stärkere Homogenisierung der voreingespritzten Kraftstoffmenge erzielt werden.
  • Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbstzündung,
  • 2 ein Diagramm für einen schematischen Zylinderdruckverlauf bei einer Verbrennung eines homogenen Gemisches der Brennkraftmaschine nach 1 ohne Verwendung eines kühlenden Mediums und/oder Abgasrückführung,
  • 3 eine schematische Darstellung der Kraftstoffeinspritzzeiten der Verbrennung gemäß 2,
  • 4 ein Diagramm für einen schematischen Zylinderdruckverlauf der Brennkraftmaschine aus 1 bei einer Verbrennung eines homogenen Gemisches mit Abgasrückführung und einer Wassereinspritzung,
  • 5 ein Diagramm für einen schematischen Zylinderdruckverlauf einer homogen/heterogenen kombinierten Verbrennung der Brennkraftmaschine nach 1 ohne Verwendung eines kühlenden Mediums und/oder Abgasrückführung,
  • 6 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzstrategie der Verbrennung nach 5,
  • 7 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzstrategie einer homogen/heterogenen kombinierten Verbrennung mit einer Wassereinspritzung der Brennkraftmaschine nach 1,
  • 8 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß 7,
  • 9 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß 7,
  • 10 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß 7,
  • 11 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß 7, und
  • 12 ein Diagramm für einen Zylinderdruckverlauf einer homogen/heterogenen kombinierten Verbrennung der Brennkraftmaschine nach 1 mit einer Wassereinspritzung.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, bei der eine Kurbelwelle 2 durch einen in einem Zylinder 9 geführten Kolben 5 über eine Pleuelstange 4 angetrieben wird. Zwischen dem Kolben 5 und einem Zylinderkopf 10 wird im Zylinder 9 ein Brennraum 8 gebildet, der vorzugsweise eine in den Kolbenboden 7 eingebrachte Kolbenmulde 6 umfasst. Bei der Drehung einer Kurbel 3 der Kurbelwelle 2 auf einem Kurbelkreis 11 im Uhrzeigersinn verkleinert sich der Brennraum 8, wobei die in ihm eingeschlossenen Luft verdichtet wird. Der Ladungswechsel im Brennraum 8 erfolgt über nicht dargestellte Gaswechselventile, die im Zylinderkopf 10 angeordnet sind.
  • Mit dem Erreichen eines oberen Totpunktes 12 der Kurbel 3, nachfolgend mit OT bezeichnet, ist das Ende der Verdichtung erreicht, bei dem der Brennraum 8 sein kleinstes Volumen annimmt. Die aktuelle Lage des Kolbens 5 wird durch den Kurbelwinkel φ in Bezug auf OT bestimmt. Eine Mehrlocheinspritzdüse 13 ist im Zylinderkopf 10 nahezu zentral angeordnet, wobei sie über eine Signalleitung 15 und einen Aktuator 14, beispielsweise einen piezoelektrischen oder einen hydraulischen Aktuator, von einer elektronischen Steuereinheit 16 einer Motorsteuerung angesteuert wird.
  • Die Brennkraftmaschine 1 arbeitet nach dem 4-Takt-Prinzip. Ein Zylinderdruckverlauf einer homogenen Verbrennung der Brennkraftmaschine 1 mit Selbstzündung ist in 2 dargestellt, wobei gemäß 3 die entsprechenden Kraftstoffeinspritzzeiten dargestellt sind. In einem ersten Ansaugtakt bzw. Ansaughub bewegt sich der Kolben 5 in einer Abwärtsbewegung vom oberen Totpunkt 12 bis zu einem unteren Totpunkt UT. Dabei wird über einen nicht dargestellten Einlasskanal dem Brennraum 8 Verbrennungsluft zugeführt. Vorzugsweise wird eine bestimmte Menge an Abgas aus einem vorherigen Arbeitsspiel durch ein Abgasrückführungsventil der dem Brennraum 8 zugeführten Verbrennungsluft beigemischt.
  • In einem zweiten Kompressionshub bzw. Verdichtungstakt bewegt sich der Kolben 5 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT bis zu einem oberen Zündtotpunkt ZOT, wobei kurz vor ZOT Kraftstoff in den mit komprimierter Luft gefüllten Brennraum 8 eingespritzt wird. In einem nachfolgenden Expansionstakt bewegt sich der Kolben 5 bis zum unteren Totpunkt UT, wobei in einem weiteren Ausschiebetakt dann die Abgase aus dem Brennraum 8 ausgeschoben werden. Der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung kann gemäß 3 zwischen 150°KW und 30°KW vor ZOT liegen. Der Kraftstoff zündet durch Kompressionswärme vor ZOT, wobei der Schwerpunkt der Verbrennung deutlich vor OT liegt. Der Schwerpunkt der Verbrennung ist die Kolbenlage bzw. die Kurbelwinkelangabe, bei der eine 50% Umsetzung des an der Verbrennung beteiligten Kraftstoffmasse stattgefunden hat. Gemäß 2 liegt eine Verbrennung mit sehr starkem Druckanstieg vor, was zu Druckschwingungen und schlechtem Geräuschverhalten führt. Durch die ungünstige Lage der Verbrennung bzw. den unvorteilhaften Schwerpunkt der Verbrennung wird ein schlechter Wirkungsgrad erzielt. Ist die Zeit zur Homogenisierung zu gering, entstehen zusätzlich hohe NOx-Emissionen.
  • In Abhängigkeit von der Voreinspritzmenge findet eine unterschiedliche Zündung statt. Ist die Voreinspritzmenge so gering, dass eine Ausmagerung des Gemischs stattfindet, so erfolgt die Zündung erst mit der Einspritzung der Haupteinspritzmenge, d.h. die Haupteinspritzung dient als ein Zündstrahl. Ist die Voreinspritzmenge groß genug und das Gemisch magert nicht aus, so kommt es zu einer Zündung der Voreinspritzmenge. Bei Verdichtungsverhältnissen zwischen 12 und 21 und normalen Temperaturrandbedingungen der Ansauglufttemperatur, Bauteiltemperatur etc. erfolgt die Zündung deutlich vor OT, was einen schlechten Verbrennungsschwerpunkt der Voreinspritzmenge zur Folge hat. Des Weiteren führt die schlagartige Verbrennung des Gemischs zu hohen Druckanstiegen und daraus resultierend zu Druckschwingungen. Einfluss auf die Zündung und den Druckanstieg des Voreinspritzanteils, des Haupt einspritzanteils sowie deren maximalen Drücke und Temperaturen wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer kühlenden Flüssigkeit, z.B. Wasser, und vorzugsweise in Kombination mit Abgasrückführung erzielt.
  • Gemäß der Erfindung werden sind zwei Einspritzstrategien bevorzugt. Bei der ersten Variante kann die Einbringung eines kühlenden Mediums, vorzugsweise Wasser oder ein zweiter Kraftstoff mit einer hohen Verdampfungsenthalpie, vor der Zündung des homogenen Gemischs vorgenommen werden, wodurch eine Verzögerung des Zündzeitpunktes sowie eine Verringerung des Druckanstiegs erfolgt. Bei der zweiten Variante findet die Einbringung des kühlenden Mediums nach der Zündung des homogenen Gemischs statt, wodurch ebenso eine Verringerung des Druckanstiegs erfolgt.
  • 4 zeigt einen Zylinderdruckverlauf bei der Verbrennung eines homogenen Gemischs, bei der eine Verschiebung des Zündbeginns und eine Reduzierung des Druckanstiegs mittels einer Kraftstoffkühlung durch Einspritzung von Wasser in Kombination mit Abgasrückführung erzielt wird, so dass eine Verschiebung des Schwerpunkts der Verbrennung nach OT unter Vermeidung einer klopfenden Verbrennung erreicht wird. Dabei wird eine Verbrennungssteuerung mittels AGR und die Ausnutzung von Kühleffekten beim Kraftstoff vorgenommen.
  • In 6 ist eine Einspritzstrategie einer aus homogenem Anteil und heterogenem Anteil kombinierten Verbrennung dargestellt. Hierbei wird zuerst in einem Bereich zwischen 150°KW und 30°KW vor OT eine Voreinspritzung VE vorgenommen, wobei anschließend eine Haupteinspritzung um den oberen Totpunkt, vorzugsweise zwischen 30°KW vor OT und 30°KW nach OT, stattfindet. In 5 ist der Druckverlauf einer solchen Verbrennung aus homogenem und heterogenem Anteil dargestellt.
  • Um eine homogen/heterogene kombinierte Verbrennung gemäß der in 5 dargestellten Verbrennung zu optimieren, wird eine Wassereinspritzung vorgenommen, so dass ein Zylinderdruckverlauf gemäß 12 erfolgt. Ziel ist dabei, eine Verschiebung des Zündbeginns der Voreinspritzmenge, eine Schwerpunktsverschiebung der Voreinspritzverbrennung und eine Reduzierung des Druckanstiegs zu erreichen. Des Weiteren wird die maximale Brennraumtemperatur verringert.
  • Es ist denkbar, dass statt Wasser eine andere Flüssigkeit mit einer vergleichbar hohen Verdampfungsenthalpie verwendet wird. Alternativ kann die Einbringung eines zweiten Kraftstoffes anstelle der Wassereinspritzung vorgenommen werden, der ebenfalls eine vergleichbar hohe Verdampfungsenthalpie wie die vom Wasser aufweist.
  • In 7 ist eine erste Ausführungsform einer solchen Kraftstoff/Wassereinspritzstrategie für die Brennkraftmaschine 1 zur Erzielung eines Brennraumdruckverlaufes gemäß 12 dargestellt. Dabei wird im Kompressionshub zuerst ein Teil des Kraftstoffes als eine Voreinspritzung in den Brennraum 8 eingespritzt, wobei diese Voreinspritzung im Ansaug- und/oder Kompressionshub vorgenommen werden kann. Eine Wassereinspritzung WE wird kurz nach Beginn der Voreinspritzung VE begonnen, wobei diese vor dem Ende einer Haupteinspritzung HE beendet wird. Durch die vorgenommene Voreinspritzung wird eine gute Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum erzielt, so dass ein mit dem eingespritzten Wasser vermischtes homogenes Kraftstoffluftgemisch gebildet wird. Durch den Einsatz der Wassereinspritzung wird das Einsetzen der Verbrennung bei der voreingespritzten Kraftstoffmenge verzögert und der Druckanstieg verringert, so dass die Schwerpunktlage der Verbrennung nach später verschoben wird. Ohne den Einsatz der Wassermenge würde die Schwerpunktlage der Verbrennung gemäß 5 zu früh liegen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 verschlechtert. Der starke Druckanstieg führt zusätzlich ohne den Einsatz von Wasser und/oder AGR zu schlechtem Geräuschverhalten. Vorzugsweise findet die Kraftstoffvoreinspritzung VE zwischen 150°KW und 30°KW vor OT statt. An schließend wird in einem Bereich um den oberen Zünd-Totpunkt ZOT eine weitere Kraftstoffmenge in den Brennraum 8 als eine Haupteinspritzung HE eingebracht. Die Haupteinspritzung HE findet vorzugsweise zwischen 20°KW vor OT und 30°KW nach OT statt. Vorzugsweise findet die Wassereinspritzung zwischen 150°KW vor OT und 20°KW nach OT statt. Weiterhin kann nach der Haupteinspritzung HE eine kleine Menge an Kraftstoff als eine Nacheinspritzung zu einem späteren Zeitpunkt eingespritzt werden.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform wird durch die Einspritzung der Wassermenge das Temperaturniveau gesenkt und das Verdampfen des voreingespritzten Kraftstoffs verlangsamt, so dass ein späterer Zündbeginn erzielt wird. Der Vorteil dieser Einspritzstrategie liegt darin, dass eine kombinierte homogene/heterogene Verbrennung mit Selbstzündung im ganzen Kennfeld gewährleistet ist. Dadurch können die Anteile der Vor- sowie der Haupteinspritzung lastabhängig variiert werden. Weiterhin können die Einspritzzeitpunkte des homogenen Anteils und die Einspritzzeitpunkte des heterogenen Anteils last- und drehzahlabhängig gewählt werden.
  • In einer zweiten Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzstrategie gemäß 8 wird mit der Einspritzung der Wassermenge WE erst nach Beendigung der Voreinspritzung VE begonnen, so dass die Einbringung der Wassermenge erst nach der Zündung des homogenen Gemisches vorgenommen wird.
  • Gemäß einer dritten Ausführungsform wird die Wassermenge WE dem Kraftstoff während der Voreinspritzung VE und während der Haupteinspritzung HE innerhalb der Einspritzeinrichtung 13 derart beigemischt, dass das Wasser mit dem Kraftstoff als eine Kraftstoffwasseremulsion in den Brennraum 8 gemäß der in 9 dargestellten Einspritzstrategie eingespritzt werden. Ziel dieser Einspritzstrategie ist, dass der angestrebte Kühlungseffekt sichergestellt wird, so dass eine Verschiebung des Zündbeginns und eine Reduzierung des Druckanstiegs bei der Voreinspritzung VE, sowie das Temperaturniveau der Vor- und Haupteinspritzung verringert wird. Dabei findet die Voreinspritzung VE der Kraftstoffwasseremulsion zwischen 150°KW und 30°KW vor OT statt. Die Haupteinspritzung HE der Kraftstoffwasseremulsion wird zwischen 20°KW vor OT und 30 °KW nach OT vorgenommen.
  • Es ist denkbar, dass gemäß einer vierten Ausführungsform die Wassermenge WE nur der Voreinspritzung VE innerhalb der Einspritzeinrichtung beigemischt wird, so dass gemäß 10 eine Kraftstoffwasseremulsion oder einer Kraftstoff/Wasser-Schichtung in den Brennraum in Form einer Voreinspritzung eingebracht wird. Dabei findet die Voreinspritzung VE der Kraftstoffwasseremulsion oder einer Kraftstoff/Wasser-Schichtung zwischen 150°KW und 30°KW vor OT statt. Die Haupteinspritzung HE des Kraftstoffes wird zwischen 20°KW vor OT und 30°KW nach OT vorgenommen.
  • Weiterhin ist es denkbar, dass gemäß einer fünften Ausführungsform die Wassermenge der Haupteinspritzung HE innerhalb der Einspritzeinrichtung beigemischt wird, so dass die Kraftstoffwasseremulsion oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung gemäß 11 in den Brennraum als eine Haupteinspritzung HE eingebracht wird. Dabei findet die Voreinspritzung VE des Kraftstoffes zwischen 150°KW und 30°KW vor OT statt. Die Haupteinspritzung HE der Kraftstoffwasseremulsion oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung wird zwischen 20°KW vor OT und 30°KW nach OT vorgenommen.
  • Gemäß der Erfindung kann bei allen Ausführungsformen eine Wasser/Kraftstoff-Schichtung derart vorgenommen, dass die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt wird, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser/Kraftstoff-Schichtung oder Kraft- Stoff/Wasser-Schichtung oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung in den Brennraum eingebracht wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Druck des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffes während eines Einspritzvorgangs geändert. Dabei kann beispielsweise der Einspritzdruck der Voreinspritzung VE auf einem niedrigeren Niveau liegen als der Einspritzdruck der Haupteinspritzung HE. Dadurch wird eine Benetzung der Brennraumwände insbesondere während der Voreinspritzung mit Kraftstoff vermieden. Vorzugsweise herrscht während der Haupteinspritzung weiterhin ein höherer Kraftstoffdruck als während einer wahlweise vorgenommenen Nacheinspritzung.
  • Um eine intensive Homogenisierung der voreingespritzten Kraftstoffmenge zu erzielen, wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform während der Voreinspritzung mittels einer im Brennraum gebildeten Drallbewegung eine während eines Einspritztaktes erzeugte Kraftstoffwolke eines Kraftstoffstrahles versetzt oder seitlich verschoben, so dass bei einem nachfolgendem Einspritztakt die neu eingespritzten Kraftstoffstrahlen nicht in die Kraftstoffwolke der vorangegangen Einspritztaktes eindringen. Dadurch wird eine optimale Homogenisierung der Voreinspritzmenge erzielt, was sich positiv auf den Druckanstieg auswirkt und somit die Verbrennungsschwerpunktslage sowie das Geräuschverhalten verbessert. Wird eine geringe Voreinspritzmenge verwendet, kann über das bessere Ausmagern des Gemischs durch den Drall, mittels der Haupteinspritzung Einfluss auf den Zündzeitpunkt der Voreinspritzung genommen werden (Zündstrahl).
  • Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung aus, bei welcher der Kraftstoff mittels einer Kraftstoffdüse mit mehreren Einspritzbohrungen direkt in den Brennraum als Vor- und Haupteinspritzung und ggf. als eine Nacheinspritzung eingespritzt wird, wobei die Voreinspritzung vorzugsweise getaktet er folgt. Um die Verbrennung optimal zu gestalten, wird während des Ansaug- und/oder Kompressionshubes eine als kühlendes Medium dienende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, in den Brennraum eingebracht, so dass ein Druckanstieg im Brennraum verringert und ggf. ein Zündzeitpunkt der Voreinspritzung verzögert wird. Durch die in den Brennraum eingebrachte Flüssigkeit wird eine kraftstoffseitige Kühlung vorgenommen, mit der der Zündzeitpunkt der Voreinspitzung verzögert und der Druckanstieg verringert wird, so dass eine optimale Schwerpunktslage der Verbrennung erzielt wird. Vorzugsweise wird eine Abgasrückführung vorgenommen, um weiterhin die gebildeten Abgasemissionen insbesondere die NOx-Bildung noch weiter zu reduzieren. Falls die Kraftstoffmenge der Voreinspritzung derart gestaltet wird, dass eine Zündung der Voreinspritzmenge aufgrund einer Ausmagerung des Vorgemisches nicht stattfindet, dann wird der Zündzeitpunkt des Gemischs sowie der Druckanstieg durch die eingespritzte Flüssigkeit im Brennraum bei der Zündung mittels der als Zündstrahl vorgenommenen Haupteinspritzung beeinflusst.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, bei der - Kraftstoff mittels einer Einspritzeinrichtung, welche vorzugsweise eine Mehrlochdüse aufweist, direkt in einen Brennraum derart eingespritzt wird, dass - zuerst ein Teil des Kraftstoffes im Ansaugund/oder Kompressionshub als eine Voreinspritzung in den Brennraum eingespritzt wird, und - weiterer Kraftstoff als eine Haupteinspritzung und gegebenenfalls als eine Nacheinspritzung zu einem späteren Zeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - während des Ansaug-, des Kompression- und/oder des Expansionshubs zur Kühlung eines im Brennraum vorliegenden Gemisches eine Flüssigkeit mit einer hohen Verdampfungsenthalpie in den Brennraum eingebracht wird, - so dass ein Druckanstieg im Brennraum verringert und gegebenenfalls ein Zündzeitpunkt der Vor- oder Haupteinspritzung verzögert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit vor oder nach Beginn der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit nach Beendigung der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Flüssigkeit in den Brennraum vor dem Ende der Haupteinspritzung des Kraftstoffes beendet wird.
  5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Brennraum eingebrachte Flüssigkeit eine Wassermenge ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt wird, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser-Emulsion in den Brennraum eingebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge mittels einer zusätzlichen Einspritzeinrichtung in den Brennraum eingebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt wird, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser/Kraftstoff-Schichtung oder Kraftstoff/Wasser-Schichtung oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung in den Brennraum eingebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung in einem Kompressionshubbereich von ca. 150°KW bis 30°KW vor dem oberen Totpunkt vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung und gegebenenfalls die Nacheinspritzung hintereinander um den oberen Totpunkt in einem Bereich von 20°KW vor dem oberen Totpunkt bis 40°KW nach dem oberen Totpunkt vorgenommen werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs während eines Einspritzvorgangs geändert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung getaktet vorgenommen wird, wobei während der Voreinspritzung mittels einer im Brennraum gebildeten Drallbewegung eine während eines Einspritztaktes erzeugte Kraftstoffwolke eines Kraftstoffstrahls versetzt oder seitlich verschoben wird, so dass bei einem nachfolgenden Einspritztakt die neu eingespritzten Kraftstoffstrahlen nicht in die Kraftstoffwolke der vorangegangenen Einspritztaktes eindringen.
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