DE112005001606T5

DE112005001606T5 - Brennkammer und Verfahren für einen Selbstzündungsbenzinmotor

Info

Publication number: DE112005001606T5
Application number: DE112005001606T
Authority: DE
Inventors: Paul M. Bloomfield Hills Najt; Tang-Wei Troy Kuo; David. J. West Bloomfield Cleary; James A. Troy Eng; Barry L. Lake Orion Brown
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-07-02
Also published as: WO2006017051A3; WO2006017051A2; DE112005001606B4; CN1985084A; CN1985084B

Abstract

Brennkammer für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
einen Zylinder mit einem geschlossenen Ende, in dem eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung ausgebildet sind, wobei Ventilelemente in den Öffnungen angeordnet sind, um die Strömung von Luft und von Verbrennungsprodukten zu und aus der Brennkammer zu steuern, einer Benzinkraftstoffeinspritzvorrichtung, die eine Sprühspitze aufweist, und einer Funkenzündquelle, die einen Funkenspalt aufweist, wobei der Zylinder eine Achse aufweist und angeordnet ist, um Luft und Kraftstoff, der direkt aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingespritzt wird, aufzunehmen; und
einen Kolben, der für eine Hin- und Herbewegung in dem Zylinder montiert ist, wobei der Kolben einen im Allgemeinen flachen Rand umfasst, der eine Innenkante aufweist, die eine vertiefte Schale umgibt, in die der Kraftstoff primär eingespritzt wird, wobei die Schale einen Boden und eine umgebende Seite aufweist, die durch eine gekrümmte Fläche gebildet ist, die sich tangential mit dem Boden verbindet und sich bis zu der Innenkante des Randes erstreckt;...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft eine Brennkammer für und Verfahren zum Betreiben eines Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Benzinverbrennungsmotoren ergibt eine verdünnte Verbrennung – unter Verwendung von entweder Luft oder rückgeführtem Abgas – bekanntlich einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad und geringe NOx-Emissionen. Es gibt jedoch infolge von Fehlzündung und Verbrennungsinstabilität aufgrund einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bei der der Motor mit einem verdünnten Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Ausdehnen der Verdünnungsgrenze umfassen: 1) Verbessern der Zündfähigkeit des Gemisches durch Erweitern der Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung; 2) Erhöhen der Flammengeschwindigkeit durch Einleiten einer Ladungsbewegung und -turbulenz; und 3) Betreiben des Motors mit einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung.
Der Prozess der gesteuerten Selbstzündung wird manchmal als homogener Kompressionszündungsprozess (Homogeneous Charge Compression Ignition oder HCCI-Prozess) bezeichnet. Bei diesem Prozess wird ein Gemisch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff erzeugt, und es wird eine Selbstzündung gleichzeitig von vielen Zündstellen aus innerhalb des Gemisches während der Verdichtung eingeleitet, was zu einer sehr stabilen Ausgangsleistung und zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Die Verbrennung ist stark verdünnt und gleichmäßig durch die Ladung hindurch verteilt. Daher sind die Temperaturen des verbrannten Gases und somit die NOx-Emissionen wesentlich niedriger als die von herkömmlichen Ottomotoren auf der Grundlage einer fortschreitenden Flammenfront und von Dieselmotoren auf der Grundlage einer fixen Diffusionsflamme. Sowohl bei Otto- oder Fremdzündungsmotoren als auch bei Dieselmotoren sind die Temperaturen des verbrannten Gases innerhalb des Gemisches stark heterogen mit sehr hohen lokalen Temperaturen, wodurch starke NOx-Emissionen erzeugt werden.
Motoren, die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind in Zweitakt-Benzinmotoren unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses erfolgreich demonstriert worden. Man glaubt, dass der hohe Anteil von unverbrannten Gasen, der von dem vorhergehenden Zyklus in der Brennkammer des Zweitaktmotors verbleibt, d.h. der Restinhalt, dafür verantwortlich ist, dass die hohe Gemischtemperatur bereitgestellt wird, die notwendig ist, um eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu fördern.
In Viertaktmotoren mit traditionellen Ventilmitteln ist der Restinhalt gering und eine gesteuerte Selbstzündung bei Teillast ist schwierig zu erreichen. Verfahren, um eine gesteuerte Selbstzündung bei niedriger und Teillast einzuleiten, umfassen: 1) Ansauglufterwärmung, 2) variables Verdichtungsverhältnis, und 3) Mischen von Benzin mit Zündungsförderern, um ein leichter zündfähiges Gemisch als Benzin zu erzeugen. In all den obigen Verfahren ist der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, relativ schmal.
Motoren, die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind in Viertakt-Benzinmotoren unter Verwendung einer variablen Ventilbetätigung mit unkonventionellen Ventilmitteln demonstriert worden. Die folgenden zwei Beschreibungen umfassen Ventilstrategien, bei denen ein hoher Anteil von Verbrennungsrestprodukten von einem vorhergehenden Verbrennungszyklus zurückbehalten wird, um die notwendigen Bedingungen für eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu erzeugen. Der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, wird unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses stark ausgedehnt.
In einem Fall ist berichtet worden, dass ein Viertakt-Verbrennungsmotor für eine Selbstzündung sorgt, indem die Bewegung der Einlass- und Auslassventile einer Brennkammer gesteuert wird, um sicherzustellen, dass eine Kraftstoff/Luft-Ladung mit verbrannten Gasen gemischt wird, um Bedingungen zu erzeugen, die für eine Selbstzündung geeignet sind. Der beschriebene Motor weist ein mechanisch nockenbetätigtes Auslassventil auf, das früher in dem Ausstoßtakt geschlossen wird als bei normalen Viertaktmotoren, um verbrannte Gase für ein nachfolgendes Mischen mit einer Einlassmenge eines Kraftstoff- und Luftgemisches einzufangen.
Es ist ein anderes Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors beschrieben worden, bei dem die Verbrennung zumindest teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Strömungen einer Kraftstoff/Luft-Ladung und von verbrannten Gasen werden durch ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt, um in der Brennkammer Bedingungen zu erzeugen, die für einen Selbstzündungsbetrieb geeignet sind.
Das verwendete Ventilmittel umfasst ein Einlassventil, das die Strömung des Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal in die Brennkammer steuert, und ein Auslassventil, das die Strömung von verbrannten Abgasen aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert. Das Auslassventil öffnet (EVO) bei etwa 10 bis 15 Grad vor dem unteren Totpunkt in dem Expansionstakt und schließt (EVC) während des Ausstoßtaktes in einem Bereich von 90 bis 45 Grad vor dem oberen Totpunkt. Das Einlassventil wird später in dem Viertaktzyklus geöffnet (IVO) als in einem normalen Viertaktmotor üblich in einem Bereich von 45 bis 90 Grad nach dem oberen Totpunkt während des Ansaugtaktes.
Das frühe Schließen des Auslassventils und späte Öffnen des Einlassventils liefert einen negativen Ventilüberschneidungszeitraum (EVC-IVO), in dem beide Auslass- und Einlassventile geschlossen sind, um verbranntes Gas einzufangen, welches später mit der angesaugten Kraftstoff/Luft-Ladung während des Ansaugtaktes vermischt wird und dadurch den Selbstzündungsprozess fördert. Das Einlassventil wird dann grob 30 Grad nach dem unteren Totpunkt in dem Verdichtungstakt geschlossen (IVC). Dies wird allgemein als eine Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie bezeichnet.
In einem anderen Fall ist ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung beschrieben worden, bei dem die Verbrennung zumindest teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Strömungen einer Kraftstoff/Luft-Ladung und verbrannter Gase werden durch hydraulisch gesteuerte Ventilmittel geregelt, um in der Brennkammer Bedingungen zu erzeugen, die für einen Selbstzündungsbetrieb geeignet sind. Die verwendeten Ventilmittel umfas sen ein Einlassventil, das die Strömung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal in die Brennkammer steuert, und eine Auslassventil, das die Strömung von verbrannten Abgasen aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert.
Das Auslassventil wird für zwei getrennte Zeiträume während des gleichen Viertaktzyklus geöffnet. Der erste Zeitraum lässt zu, dass verbrannte Gase aus der Brennkammer ausgestoßen werden. Der zweite Zeitraum lässt zu, dass verbrannte Gase, die zuvor aus der Brennkammer ausgestoßen wurden, zurück in die Brennkammer gesaugt werden. Das doppelte Öffnen des Auslassventils während jedes Viertaktzyklus erzeugt die notwendigen Bedingungen für eine Selbstzündung in der Brennkammer. Dies wird allgemein als eine Abgasrücksaug-Ventilstrategie bezeichnet.
In einem nochmals anderen beschriebenen Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung wird eine Verbrennung zumindest teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht. Strömungen von Luft und verbrannten Gasen werden durch ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt. Der Kraftstoff wird durch eine Benzineinspritzvorrichtung direkt in die Brennkammer abgegeben. Die Benzineinspritzvorrichtung spritzt Kraftstoff während des Ansaugtaktes oder des nachfolgenden Verdichtungstaktes in einem einzigen Motorzyklus ein.
Indem entweder eine Abgasrückverdichtungs- oder Abgasrücksaug-Ventilstrategie in Verbindung mit einer Benzindirekteinspritzvorrichtung, die eine Mehrfacheinspritzfähigkeit während eines einzigen Motorzyklus aufweist, verwendet wird, haben wir und andere demonstriert, dass der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in dem eine gesteuerte Selbst zündungsverbrennung erreicht werden kann, unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses stark ausgedehnt wird.
Indem das Leistungsvermögen und die Emissionsergebnisse aus ausgiebigen Testen verglichen wurden, wurde deutlich, dass eine weitere Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit mit einer Hybridventilstrategie möglich ist, die Abgasrücksaug- und Abgasrückverdichtungsstrategien zusammen über den Motorlastbereich hinweg kombiniert. In einem Fall ist eine Strategie beschrieben, wobei die Verwendung entweder eines vollständig flexiblen Ventilbetätigungssystems (FFVA system von fully flexible valve actuation system) oder ein einfacheres mechanisches dreistufiges System mit einer Nockenphaseneinstellung angenommen wird. Insbesondere unter einer Motorlast von etwa 200 kPa effektivem Nettomitteldruck (NMEP von net mean effective pressure) wird eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung unter Verwendung einer Abgasrückverdichtungsstrategie empfohlen. Über 200 kPa NMEP und unter 450 kPa NMEP wird eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung unter Verwendung einer Abgasrücksaugstrategie empfohlen. Über 450 kPa NMEP und unter 600 kPa NMEP wird eine Fremdzündungsverbrennung empfohlen, die eine ungedrosselte Laststeuerung über ein variables Ventilzeiteinstellungssystem anwendet. Über 600 kPa NMEP wird eine Fremdzündungsverbrennung mit einem traditionellen gedrosselten Betrieb empfohlen.
Sowohl mit der Einzelventilstrategie als auch mit der Hybridventilstrategie ist ein Leistungsvermögen im stationären Zustand eines Motors mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung ziemlich unempfindlich gegenüber dem Typ der Einspritzvorrichtung, der Lage der Spitze der Einspritzvorrichtung und, bis zu einem gewissen Ausmaß, der Fremd- oder Funkenzündung. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, den Motor kalt mit einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung zu starten, selbst mit der Verwendung von FFVA und Funkenzündung ohne spezielle Aufmerksamkeit auf die Details der Brennkammerkonstruktion einschließlich des Kolbens zu richten.
Es wurde darüber hinaus experimentell bestätigt, dass eine Steuerung der Phaseneinstellung der Selbstzündungsverbrennung insbesondere bei leichter Last und Leerlauf schwierig ist, da der Selbstzündungsprozess durch den Temperatur-Zeit-Verlauf und die chemische Kinetik des Kraftstoff-Luft-Gemisches stark beeinflusst wird. Eine kleine Störung von entweder der Ansaugladungstemperatur oder der Zylinderwandungstemperatur kann dazu führen, dass der Motor bei niedriger Motorlast Fehlzündungen vollführt. Um einen Motorbetrieb bei leichter Last und Leerlauf ohne Fehlzündung sicherzustellen, ist eine überaggressive Ventilstrategie verwendet worden. Dies führt zu einem erhöhten Pumpverlust und zu einer herabgesetzten Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei dem Motor mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung. Somit wird ein Verfahren bei leichter Last und Leerlauf zum Schutz vor Fehlzündungen, mit verbesserter Verbrennungsphasensteuerung und gleichzeitig reduziertem Pumpverlust benötigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennkammer mit einem Kolben für einen Motor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung bereit. Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen: 1) verbesserte Verbrennungsphasensteuerung bei leichter Last und Leerlauf während des transienten Betriebes, und 2) besseres Motorleistungsvermögen bei leichter Last und Leerlauf ohne Fehlzündung unter Verwendung einer weniger aggressiven Ventilstrategie jedoch niedrigerem Pumpverlust.
Die Konstruktion wendet eine zentral angeordnete Kraftstoffeinspritzvorrichtung, einen strategisch angeordneten Zündkerzenspalt und eine Kolbenschale an. Eine Benzindirekteinspritzvorrichtung mit einer Mehrfacheinspritzfähigkeit während eines einzigen Motorzyklus wird in Verbindung mit den Hybridventilstrategien verwendet. Das erste Einspritzereignis liefert 10–30 % der gesamten während des frühen Teils des Ansaugtaktes in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs, während das zweite Einspritzereignis den Rest des Kraftstoffs während des späteren Teils des Verdichtungstaktes liefert. Der Einspritzzeitpunkt jedes Einspritzereignisses und der Anteil von Kraftstoffaufteilung werden elektronisch gesteuert. Der Sprühstrahl wird in Richtung der Zündkerze gerichtet, die elektronisch für den besten Zündzeitpunkt gesteuert wird. Es hat sich gezeigt, dass die vorliegende Erfindung die Verbrennungsphaseneinstellung bei leichter Last und Leerlauf effektiv steuert und einen Kaltstart eines Motors mit gesteuerter Selbstzündung und Benzindirekteinspritzung unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Da die Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie die bevorzugte Ventilstrategie ist, die für einen Motorbetrieb bei leichter Last und Leerlauf gewählt wird, fokussierte die vorliegende Erfindung ihre Anwendung unter Verwendung einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie derart, dass der Übergang von Kaltstart zu niedriger oder Leerlauflast ohne Umwege mit einem einfachen Nockenphasensteller und einer Änderung in der Einspritzstrategie erfolgt.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Brennkammer einen Zylinder mit einem geschlossenen Ende, in dem eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung ausgebildet sind. Ventilelemente sind in den Öffnungen angeordnet, um die Strömung von Luft und Verbrennungsprodukten in und aus der Brennkammer zu steuern. Eine Benzinkraftstoff einspritzvorrichtung mit einer Sprühspitze und eine Funkenzündungsquelle mit einem Funkenspalt stehen mit der Brennkammer in Verbindung. Der Zylinder weist eine Achse auf und ist derart angeordnet, dass er Luft und Kraftstoff aufnimmt, die von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung direkt eingespritzt werden.
Ein Kolben ist für eine Hin- und Herbewegung in dem Zylinder montiert. Der Kolben umfasst einen im Allgemeinen flachen Rand, der eine Innenkante aufweist, die eine vertiefte Schale umgibt, in die der Kraftstoff primär eingespritzt wird. Die Schale weist einen Boden und eine umgebende Seite auf, die durch eine gekrümmte Fläche gebildet ist, die sich tangential mit dem Boden verbindet und sich zu der Innenkante des Randes erstreckt. Die Zündkerze weist eine Mittellinie durch den Funkenspalt auf und ist zu einer Seite der Zylinderachse verschoben, wobei der Funkenspalt sich in die Brennkammer in Richtung der Achse erstreckt. Die Einspritzvorrichtung ist zu einer entgegengesetzten Seite der Achse verschoben, wobei die Sprühspitze so gerichtet ist, dass sie einen im Allgemeinen konischen Kraftstoffsprühstrahl in die Kolbenschale lenkt, wobei ein Teil des Kraftstoffsprühstrahls nahe bei dem Funkenspalt vorbeitritt. Die Mittellinie der Zündkerze ist nach innen von der gekrümmten Fläche der Schalenseite mit einem minimalen Abstand im Bereich von 6 bis 10 mm beabstandet.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bestimmten besonderen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen umfassender verstanden werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Einzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der ein Verbrennungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich wie 1, die Beziehungen der Brennkammer für die Verbrennung zeigt;
2A ist ähnlich wie 2 mit der Ausnahme einer veränderten Abmessungsauswahl;
3 und 4 sind schematische Darstellungen von Kolbenschale/Einspritzvorrichtungs-Anpassung für Sprühstrahlkonuswinkel von 90 bzw. 60 Grad;
5 ist ein Schaubild von Einlass- und Auslassventilhubprofilen als Funktion des Kurbelwinkels, die beim Beschaffen der berichteten Testergebnisse verwendet wurden;
6 ist eine grafische Darstellung von Kurbelwinkelbeziehungen, bei denen die Kraftstoffladung 10 % verbrannt (Zündzeitpunkt) und 50 % verbrannt (Verbrennungsphaseneinstellung) ist, für eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung ohne Funkenzündung unter Ver wendung einer Mehrlocheinspritzvorrichtung mit einem Sprühwinkel von 90 Grad;
7 ist eine grafische Darstellung ähnlich wie 6, aber für eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung mit Funkenzündung;
8 zeigt grafische 3-D-(Perspektivansicht)- und 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen der Lage des Spitzendruckes (LPP) über Funken- und Einspritzzeiten mit einer Dralleinspritzvorrichtung mit 80 Grad;
9 zeigt grafische 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen der Lage des Spitzendruckes (LPP) über Funken- und Einspritzzeiten mit Mehrlocheinspritzvorrichtungen mit 60 und 90 Grad; und
10 zeigt den bemessenen effektiven Mitteldruck (NMEP) über die Zykluszahl während des Kaltstarts mit Funkenzündung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gibt Bezugszeichen 10 im Einzelnen allgemein eine erste Ausführungsform eines Einzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung gemäß der Erfindung an, obwohl festzustellen ist, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf einen Mehrzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung anwendbar ist.
Nach 1 ist ein Kolben 12 in einem Zylinder 14 mit geschlossenem Ende beweglich und bildet mit dem Zylinder 14 eine Brennkammer 16 mit variablem Volumen. Ein Einlasskanal oder eine Einlassöffnung 18 führt der Brennkammer 16 Luft zu. Die Strömung von Luft in die Brennkammer 16 wird durch ein Einlassventil 20 gesteuert. Verbrannte (Brenn-)Gase können aus der Brennkammer 16 über einen Auslasskanal oder eine Auslassöffnung 22 strömen, und die Strömung von verbrannten Gasen durch den Auslasskanal 22 wird durch ein Auslassventil 24 gesteuert.
Der Motor 10 weist einen elektrohydraulisch gesteuerten Ventiltrieb 25 auf, der Ventile 20, 24 und einen elektronischen Controller 26 umfasst, der programmierbar ist und das Öffnen und Schließen von sowohl dem Einlassventil 20 als auch dem Auslassventil 24 hydraulisch steuert. Der elektronische Controller 26 steuert die Bewegung des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 im Hinblick auf (mit Rückkopplung von) der Position der Einlass- und Auslassventile 20, 24, wie sie von zwei Positionswandlern 28 und 30 gemessen wird. Der Controller 26 berücksichtigt auch die Position des Kolbens 12 in dem Motor, die von einem Rotationssensor 32 gemessen wird, der mit einer Kurbelwelle 34 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist.
Die Kurbelwelle 34 ist durch eine Pleuelstange 36 mit dem Kolben 12 verbunden, der sich in dem Zylinder 14 hin- und herbewegt. Eine Benzindirekteinspritzvorrichtung 38, die von dem elektronischen Controller 26 gesteuert wird, dient dazu, Kraftstoff direkt in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Eine Fremdzündquelle, wie etwa eine Zündkerze 40, wird ebenfalls von dem elektronischen Controller 26 gesteuert und dazu verwendet, die Zündzeitpunktsteuerung des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung zu verbessern.
Nach 2 sind mehrere zusätzliche Merkmale, die mit der Motorbrennkammer in Beziehung stehen, beim Quantifizieren der Konstruktion der hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsform von Bedeutung. Der Zylinder 14 weist eine Achse 56 auf, die sich durch die Brennkammer 16 erstreckt.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 38 weist auch eine Sprühspitze 58 auf, die in der Brennkammer 16 am geschlossenen Ende des Zylinders 14 angeordnet und geringfügig zu einer Seite 60 der Zylinderachse 56 verschoben ist. Die Sprühspitze 58 bildet einen im Allgemeinen konischen Kraftstoffsprühstrahl 62, der um eine Mittellinie 63 der Einspritzvorrichtung herum zentriert ist, die herkömmlich durch eine Dralldüse oder durch mehrere Mündungen in der Spitze gebildet sein kann, welche in der Lage ist, separate Kraftstoffströme, die in einem konischen Muster angeordnet sind, einzuspritzen. Die Zündkerze 40 weist eine Mittellinie 64 auf, die sich entlang einer Mittelelektrode erstreckt. Ein Funkenspalt 66 auf der Mittellinie 64 steht von dem geschlossenen Zylinderende in die Brennkammer vor und ist geringfügig von der Zylinderachse auf eine Seite 68 entgegengesetzt zu der Sprühspitze der Einspritzvorrichtung verschoben.
Der Kolben 12 umfasst einen im Allgemeinen flachen Rand 70, der eine Innenkante 72 aufweist, die eine vertiefte Schale 74 umgibt, in die der Kraftstoff primär eingespritzt wird. Die Schale weist einen Boden 76 und eine umgebende Seite 78 auf, die primär durch eine gekrümmte oder gebogene Fläche 80 gebildet ist, die sich tangential mit dem Boden 76 verbindet und bis zu der Innenkante 72 des Randes erstreckt.
Mit fortgesetztem Bezug auf 2 ist die Ausgestaltung der Brennkammer derart abgewandelt, dass man einer Packung des Motors gerecht wird, indem sowohl die Mittellinie 63 der Einspritzvorrichtung als auch die Mittellinie der Zündkerze 64 geneigt sein können, wie es gezeigt ist. Mit den festgelegten Einspritzvorrichtungs- und Zündkerzenneigungswinkeln kann eine einzigartige Beziehung zwischen Vorsprung 42 des Zündkerzenspalts 66 und Winkel 44 des Sprühstrahlkonus 62 festgelegt werden. Beispielsweise wird ein Sprühstrahlkonuswinkel von 90 Grad den Funkenspalt 66 schneiden, wenn eine Zündkerze 40 mit einem Vorsprung 42 von 9 mm verwendet wird (3). Daraufhin wird der Abstand 46 (2) zwischen der Sprühspitze 58 der Einspritzvorrichtung und dem Funkenspalt 66 festgelegt. Ein Sprühstrahlkonuswinkel von 60 Grad verfehlt den gleichen Zündkerzenspalt 66 an der unteren Seite, wie es zu erwarten ist (4). Diese Art von Fremdzündungsprozess wird manchmal sprühstrahlgeführte Zündung genannt.
Eine andere Art von Zündprozess, der wandungsgesteuerte Zündung genannt wird, wird bei vielen Motoren aus der Herstellung mit Benzindirekteinspritzung mit Brennkammern ähnlich derjenigen, die in US-Patent Nr. 6,494,178 beschrieben ist, das der Inhaberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, verwendet wird. Diese umfassen eine Kolbenschalenkonstruktion für einen Motor mit Benzindirekteinspritzung, die eine Transportfläche aufweist, die eine Kraftstoff-Luft-Ladung von dem Schalenvolumen in Richtung des Zündkerzenspalts lenkt. Verschiedene Konstruktionsmerkmale, die in US 6,494,178 beschrieben sind, wurden in die vorliegende Erfindung eingearbeitet. Diese umfassen den Eckenradius 48 der Kolbenschale und den Abstand 50 zwischen Masseelektrode der Zündkerze und Kolbenschalenfläche. Der Kolbenschalendurchmesser 52 und deren Tiefe 54 wurden auf der Grundlage der Verdichtungsverhältnisanforderung festgelegt.
In 2A ist die Darstellung der in 2 gezeigten identischen Anordnung geringfügig abgewandelt. Bezugszeichen von 2, die den Merkmalen von 2A entsprechen, sind wie folgt:

58: Einspritzvorrichtungsspitze;
40: Zündkerze;
42: Zündkerzenvorsprung;
44: Sprühstrahlkonuswinkel;
46: Abstand Einspritzvorrichtungsspitze zu Zündkerzenspalt;
48: Schaleneckenradius (gekrümmte Fläche);
50: Abstand von Masseelektrode zu Schale (2);
51: Abstand von Mittellinie der Zündkerze zu Schalenseite (gebogene Fläche – 2A);
52: Schalendurchmesser;
54: Schalentiefe.

Testergebnisse haben gezeigt, dass der Betriebsbereich einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung durch die Kombination von Schalendurchmesser 52 und Sprühstrahlkonuswinkel 44 beeinflusst wird. Es ist insbesondere experimentell bestätigt worden, dass das am weitesten nach früh verstellte Ende des zulässigen Einspritzzeitpunktes ungefähr 40 Grad vor OT für die Einspritzvorrichtung mit dem Sprühstrahlkonuswinkel von 90 Grad beträgt und ungefähr 60 Grad vor OT für die Einspritzvorrichtung mit dem Sprühstrahlkonuswinkel von 60 Grad beträgt. Dies ist der Fall, weil der Sprühstrahl bei den angegebenen Kurbelwinkelpositionen (3 und 4) beginnt, die Kolbenschale zu verlassen. Ein weiteres Verstellen des Einspritzzeitpunkts nach früh kann zu erhöhten Abgasemissionen und zu einer Abnahme der Kraftstoffwirtschaftlichkeit führen.
5 veranschaulicht die Hubkurven des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Motor mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung während des Kaltstarts und bei Niederlastbetrieb mit der Verwendung eines vollständig flexiblen Ventilbetätigungssystems (FFVA-Systems). Wie getestet, sind das Einlassventil 20 und das Auslassventil 24 elektrohydraulisch betätigt, sie könnten jedoch mechanisch oder elektrisch unter Verwendung einer elektromagnetischen Kraft betätigt sein.
In 5 öffnet das Auslassventil 24 bei ungefähr 30 Grad vor dem unteren Totpunkt in dem Expansionstakt (150 Grad nach OT in dem Diagramm) und schließt bei ungefähr 90 Grad vor dem oberen Totpunkt in dem Ausstoßtakt (270 Grad nach OT in dem Diagramm). Das Einlassventil 20 wird später in dem Motorzyklus geöffnet als bei einem normalen Ottomotor, bei ungefähr 90 Grad nach dem oberen Totpunkt in dem Ansaugtakt (450 Grad nach OT in dem Diagramm) und schließt bei ungefähr 30 Grad nach dem unteren Totpunkt in dem Verdichtungstakt (570 Grad nach OT in dem Diagramm).
Das frühe Schließen des Auslassventils und späte Öffnen des Einlassventils sorgt für einen Zeitraum mit negativer Ventilüberschneidung von etwa 180 Grad (während der letzten Hälfte des Ausstoßtaktes und der ersten Hälfte des Ansaugtaktes), in dem beide Auslass- und Einlassventile geschlossen sind. Dies fängt in dem Zylinder einen großen Teil des verbrennten Gases ein, das sich beim Öffnen des Einlassventils mit der Kraftstoff-Luft-Ladung mischt, die während des Ansaugtaktes eingesaugt wird. Die heißen Gase, die sich mit der frischen Ladung mischen, erhöhen die Ladetemperatur stark und fördern dadurch den Selbstzündungsprozess.
Die 6 und 7 veranschaulichen den Einfluss einer Funkenzündung auf die Verbrennung in dem Motor. Die Motorbetriebsbedingung entspricht einer Motorlast von 135 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min unter Verwendung einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 1 mg vor dem Ansaugtakt (Ende der Einspritzung (EOI) 1 = 380 Grad vor OT Verbrennungstakt) und 5 mg während des späten Verdichtungstaktes (EOI 2 = 50 Grad vor OT).
6 ist eine grafische Darstellung von 50 % Massebruchteil von verbranntem Kraftstoff (CA50) in Relation zu 10 % Massebruchteil von verbranntem Kraftstoff (CA 10), wie er durch eine individuelle Zykluswärmefreigabeanalyse bestimmt wird. Für die in 6 gezeigten Daten wurde der Motor ohne Funkenunterstützung betrieben und ist reine HCCI. Es gibt eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen den Brennstellen CA50 und CA10. Die Linie in der Figur ist ein Polynom-Fit über die Daten hinweg. Unter dieser Betriebsbedingung gibt es eine Kurbelwinkelspreizung im Zündzeitpunkt von 7 Grad, was zur gleichen Spreizung in der CA50-Zeit führt. Alle Änderungen in der Verbrennungsphaseneinstellung können auf Änderungen im Zündzeitpunkt zurückgeführt werden.
Für die in 7 gezeigten Daten wurde der Motor unter der gleichen Bedingung betrieben, aber der Zündfunken wurde eingeschaltet. Die Daten sind in zwei unterschiedliche Gruppen eingeteilt: eine ist aus denjenigen Zyklen zusammengesetzt, die eine reine HCCI-Verbrennung aufwiesen, und die andere mit einer funkenunterstützten Selbstzündung. Für diejenigen Zyklen, bei denen der Funken eine Wirkung hatte, ist die CA10-Zeit im Mittel um 10 Grad gegenüber reinen HCCI-Zyklen nach früh verstellt. Für die funkenunterstützte Gruppe gibt es keine klare Beziehung zwischen den CA10- und CA50-Stellen. Vielmehr sind die Verbrennungsphaseneinstellungen zufällig über ein schmales Fenster von Kurbelwinkeln verteilt.
Ein anderes interessantes Merkmal ist, dass die CA50-Stelle für funkenunterstützte HCCI relativ zu der nach spät verstellt ist, die vorhanden gewesen wäre, wenn der Zyklus ein reiner HCCI-Zyklus gewesen wäre. Da der Zündfunken die Zündphaseneinstellung relativ zu der reiner HCCI nach früh verstellen kann, bedeutet dies, dass eine weniger aggressive Rückverdichtungs-Ventilzeiteinstellung verwendet werden kann, um die gleiche Verbrennungsphaseneinstellung zu erhalten. Die Verringerung der Rückverdichtung führt zu einer entsprechenden Verringerung der Pumparbeit, was zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit führt. Somit führt eine funkenunterstützte HCCI sowohl zu der Fähigkeit, eine aktive Verbrennungsphasensteuerung, insbesondere bei niedriger Last, zu haben, sowie zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit aufgrund einer Verringerung in der Rückverdichtungs-Pumparbeit.
8 zeigt grafische 3-D-(Perspektivansicht)- und 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen der Lage des Spitzendruckes (LPP) über Zünd- und Einspritzzeiten unter Verwendung einer Dralleinspritzvorrichtung mit 80 Grad. Die Motorbetriebsbedingung entspricht einer Motorlast von 135 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min unter Verwendung einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 1 mg während eines frühen Ansaugtak tes (EOI_1 = 359 Grad vor OT) und 5 mg während eines späten Verdichtungstaktes (EOI_2). Der Test wurde durchgeführt, indem die Lage des Spitzendruckes mit Variationen des Zündzeitpunkts (Verstellung nach früh) (SA) bei einem festen Wert von der EOI_2-Einspritzzeit aufgezeichnet wurde. Der LPP mit reinem HCCI-Betrieb ist ebenfalls, als mit kein Funken angegeben, auf der SA-Achse aufgetragen.
Diese Ergebnisse zeigen klar die Existenz von zwei unterschiedlichen Bereichen, in denen der LPP durch Funkenzündung beeinflusst ist. Der Bereich, der mit sprühstrahlgeführter Zündbereich markiert ist, zeigt eine enge Beziehung zwischen SA und EOI_2, ähnlich wie die des sprühstrahlgeführten Verbrennungssystems für einen Motor mit Benzindirekteinspritzung. Der Bereich, der mit wandungsgesteuerter Zündbereich markiert ist, zeigt eine Trennung von etwa 25–30 Kurbelwinkelgraden zwischen SA und EOI_2 ähnlich der des wandungsgesteuerten Verbrennungssystems für einen Motor mit Benzindirekteinspritzung.
Ähnliche Tests wurden mit Mehrlocheinspritzvorrichtungen durchgeführt, wie es in 9 gezeigt ist. Die Motorbetriebsbedingung entspricht einer Motorlast von 135 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min unter Verwendung einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 1 mg vor dem Ansaugtakt (EOI_1 = 380 Grad vor OT Verbrennungstakt) und 5 mg während eines späten Verdichtungstaktes (EOI_2). Die Figur zeigt grafische 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen der Lage des Spitzendruckes (LPP) über Funken- und Einspritzzeiten mit den Mehrlocheinspritzvorrichtungen mit 60 und 90 Grad. Es ist aus den in der Figur dargestellten Daten deutlich, dass die Mehrlocheinspritzvorrichtung mit 60 Grad sowohl sprühstrahlgeführte als auch wandungsgesteuerte Zündbereiche erzeugt, die ähnlich sind wie jene der Dralleinspritzvorrichtung mit 80 Grad (8).
Der sprühstrahlgeführte Zündbereich ist aufgrund der geringfügigen Fehlanpassung zwischen dem Kraftstoffsprühstrahl und dem Funkenspalt, die in 4 gezeigt ist, weniger klar als der der Dralleinspritzvorrichtung mit 80 Grad. Für die Mehrlocheinspritzvorrichtung mit 90 Grad ist jedoch nur der sprühstrahlgeführte Zündbereich sichtbar, da die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung, wenn das Ende des Zündzeitpunkts über 40 Grad vor OT hinaus nach früh verstellt wird, aufgrund des Sprühstrahls, der die Kolbenschale verlässt (3), merklich schlechter wird. Die in den Tests verwendeten Mehrlocheinspritzvorrichtungen wiesen alle 8 Löcher mit gleicher Beabstandung zwischen Löchern auf. Es wurde experimentell bestätigt, dass die Motorverbrennung recht unempfindlich gegenüber einer Rotation der Einspritzvorrichtung und somit eines Zielens des Sprühstrahls auf den Zündspalt gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Auf der Grundlage der in den 8 und 9 präsentierten Ergebnisse beträgt ein optimaler Sprühstrahlkonuswinkel für das Verbrennungssystem der vorliegenden Erfindung etwa 70–80 Grad für Dralleinspritzvorrichtungen und 60–70 für Mehrlocheinspritzvorrichtungen. Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Kaltstart eines Motors mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung unter Verwendung der Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie demonstriert worden. Eine Kraftstoffeinspritzstrategie mit Aufteilungskraftstoffeinspritzung, die eine 2 mg Kraftstoffeinspritzung während eines späten Ausstoßtaktes und eine 9 mg Kraftstoffeinspritzung während eines späten Verdichtungstaktes umfasst, ist in der Lage, den Motor bei Raumtemperatur unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses zu starten. Der Motor wurde mit nicht erwärmtem Kühlmittel und Öl betrieben.
10 zeigt die Ausdrucke des gemessenen NMEP (effektiver Nettomitteldruck) über die Zykluszahl während des Motorstarts. Die Motorbetriebsbedingung entspricht einer Motorlast von 270 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min unter Verwendung einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 2 mg vor dem Ansaugtakt (EOI_1 = 400 Grad vor OT) und 9 mg während des späten Verdichtungstaktes (EOI_2 = 67 Grad vor OT). Es ist aus der Figur deutlich, dass, sobald der Motor gestartet hat, eine konstante Motorlast innerhalb weniger Motorzyklen erreicht wurde. Darüber hinaus ist der Startprozess recht gut wiederholbar, wie es ebenfalls in 10 demonstriert wurde, wobei die Ergebnisse an unterschiedlichen Tagen erhalten wurden.
Als Randbemerkung ist sowohl bei Ottomotoren als auch Dieselmotoren die Temperatur verbrannten Gases innerhalb des Gemisches stark heterogen mit lokal sehr hohen Temperaturen, was hohe NOx-Emissionen erzeugt. Mit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Aufteilungseinspritzung mit der zweiten Einspritzung während des späten Verdichtungstaktes könnte die Ladungsheterogenität potentiell zunehmen und die NOx-Emissionen zunehmen. Mit der vorliegenden Erfindung jedoch haben wir Zündungs- und Einspritzmöglichkeiten, die breit genug sind (siehe 8 und 9), so dass NOx-Emissionen durch einfaches Neuoptimieren des Zündzeitpunktes, des sekundären Kraftstoffeinspritzzeitpunktes und der Kraftstoffmasse gesteuert werden können.
Obwohl die Erfindung durch Bezugnahme auf verschiedene bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Gedankens und Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts vorgenommen werden könnten. Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsfor men beschränkt sein, sondern soll den vollen Umfang haben, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche zugelassen ist.
Zusammenfassung
Eine Brennkammer für einen Verbrennungsmotor umfasst einen Zylinder mit einem geschlossenen Ende, der eine Achse aufweist. Ein Kolben ist in dem Zylinder hin- und herbeweglich und umfasst einen im Allgemeinen flachen Rand, der eine Innenkante aufweist, die eine vertiefte Schale umgibt, in die Kraftstoff primär eingespritzt wird, wobei die Schale einen Boden und eine umgebende Seite aufweist, die eine gekrümmte Fläche bildet, die sich tangential mit dem Boden verbindet und sich bis zu der Innenkante des Randes erstreckt. Eine Zündkerze weist eine Mittellinie durch den Funkenspalt auf und ist zu einer Seite der Zylinderachse verschoben, wobei sich der Funkenspalt in die Brennkammer in Richtung der Achse erstreckt. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist zu einer entgegengesetzten Seite der Achse verschoben, wobei die Sprühstrahlspitze derart zielt, dass ein im Allgemeinen konischer Kraftstoffsprühstrahl in die Kolbenschale gelenkt wird, wobei ein Teil des Kraftstoffsprühstrahls nahe bei dem Funkenspalt vorbeitritt. Es sind verschiedene Abmessungseigenschaften offenbart.

Claims

Brennkammer für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Zylinder mit einem geschlossenen Ende, in dem eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung ausgebildet sind, wobei Ventilelemente in den Öffnungen angeordnet sind, um die Strömung von Luft und von Verbrennungsprodukten zu und aus der Brennkammer zu steuern, einer Benzinkraftstoffeinspritzvorrichtung, die eine Sprühspitze aufweist, und einer Funkenzündquelle, die einen Funkenspalt aufweist, wobei der Zylinder eine Achse aufweist und angeordnet ist, um Luft und Kraftstoff, der direkt aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingespritzt wird, aufzunehmen; und einen Kolben, der für eine Hin- und Herbewegung in dem Zylinder montiert ist, wobei der Kolben einen im Allgemeinen flachen Rand umfasst, der eine Innenkante aufweist, die eine vertiefte Schale umgibt, in die der Kraftstoff primär eingespritzt wird, wobei die Schale einen Boden und eine umgebende Seite aufweist, die durch eine gekrümmte Fläche gebildet ist, die sich tangential mit dem Boden verbindet und sich bis zu der Innenkante des Randes erstreckt; wobei die Zündkerze eine Mittellinie durch den Funkenspalt aufweist und zu einer Seite der Zylinderachse verschoben ist, wobei sich der Funkenspalt in die Brennkammer in Richtung der Achse erstreckt; und wobei die Einspritzvorrichtung zu einer entgegengesetzten Seite der Achse verschoben ist, wobei die Sprühspitze derart zielt, dass sie einen im Allgemeinen konischen Kraftstoffsprühstrahl in die Kolbenschale lenkt, wobei ein Anteil des Kraftstoffsprühstrahls nahe bei dem Funkenspalt vorbeitritt; wobei die Mittellinie der Zündkerze nach innen von der gekrümmten Fläche der Schalenseite einen minimalen Abstand in einem Bereich von 6 bis 10 mm beabstandet ist.
Brennkammer nach Anspruch 1, die umfasst, dass: die gekrümmte Fläche einen Radius in einem Bereich von drei bis zwölf Millimeter aufweist.
Brennkammer nach Anspruch 1, die umfasst, dass: die Kolbenschale im Allgemeinen kreisförmig ist, und das Volumen der Schale durch ein vorgeschriebenes Verdichtungsverhältnis der Brennkammer bestimmt ist.
Brennkammer nach Anspruch 1, die umfasst, dass: die Sprühspitze einen Sprühstrahlkonuswinkel in einem Bereich von 50 bis 90 Grad bildet.
Brennkammer nach Anspruch 1, die umfasst, dass: der Funkenspalt eine Abmessung in einem Bereich von 10 bis 20 mm von der Einspritzvorrichtungsspitze beabstandet ist.
Brennkammer nach Anspruch 1, die umfasst, dass: der Funkenspalt sich eine Abmessung in einem Bereich von 3 bis 9 mm in die Brennkammer erstreckt.
Brennkammer nach Anspruch 1, die umfasst, dass: die Ventilelemente für eine variable Zeiteinstellung in einem Bereich von einem normalen Ausmaß an Ventilüberschneidung bis zu einem beträchtlichen Ausmaß an negativer Überschneidung steuerbar sind.