DE19534770C2

DE19534770C2 - Dieselmotor insbesondere mit einem Abgasrückführungssystem

Info

Publication number: DE19534770C2
Application number: DE19534770A
Authority: DE
Inventors: Shuji Kimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: DE19534770A1; JPH0886251A; JP3339197B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Diesel motoren und insbesondere einen Dieselmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, der eine Einrichtung ent hält, mit denen die schädlichen Bestandteile des Abgases des Dieselmotors reduziert werden können.

Für Dieselmotoren ist ein EGR-System (Abgasrückfüh rungssystem) bekannt, mit dem die Emission von Stick oxiden (NO_x), die giftige Komponenten des Motor-Abgases darstellen, unterdrückt werden können. Das System führt das Abgas in die Ansaugleitung des Motors zurück.

Im EGR-System ist in einen EGR-Strömungsweg, auf dem ein Teil des Abgases in die Ansaugleitung geleitet wird, ein EGR-Ventil eingesetzt, wobei dann, wenn das EGR-Ventil innerhalb eines vorgegebenen Öffnungsbereichs geöffnet ist, das Abgas mit der Motoransaugluft (Frischluft) vermischt wird, um die maximale Temperatur während der Verbrennung abzusenken und dadurch den Stickoxidanteil im Abgas zu reduzieren.

Wenn das EGR-Verhältnis, d. h.

ansteigt, nimmt jedoch auch die Emission von Rauch zu.

Aus der JP 60-162018-A (1985) ist eine Vorrichtung be kannt, die die Gasverwirbelung, die durch die Ansaugluft in der Verbrennungskammer des Motors hervorgerufen wird, verstärkt, wenn das EGR-Verhältnis ansteigt. Durch die Verstärkung der Verwirbelung wird die Vermischung von Luft und Kraftstoff während der Verbrennung gefördert, wodurch die Emission von Rauch reduziert wird.

Auch bei diesem Verfahren wird es dann, wenn das EGR- Verhältnis sehr hoch eingestellt ist, um eine deutliche Reduzierung der Stickoxide zu erzielen, schwierig, den Anstieg der Rauchemission zu unterdrücken. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Reduzierung von Rauch durch die Verwirbelung vom Anstieg der Diffusionsrate von Luft und Kraftstoff während der Diffusionsverbrennung abhängt, wobei bei einem Abfall der Sauerstoffkonzentra tion aufgrund des hohen EGR-Verhältnisses die durch die Verwirbelung bedingte verbesserte Verbrennung durch den Sauerstoffmangel in der Luft zunichte gemacht wird.

In der JP 7-4287 A haben die Anmelder der vorliegenden Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, in dem bei hoch eingestelltem EGR-Verhältnis der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt über den oberen Totpunkt des Motorkolbens hinaus verzögert wird. Die Verzögerung der Kraftstoffeinspritzung über den oberen Totpunkt hinaus bewirkt einen Anstieg des Zündver zögerungsintervalls, d. h. des Intervalls zwischen der Kraftstoffeinspritzung und der Kraftstoffzündung, weil sowohl der Druck als auch die Temperatur in der Verbren nungskammer nach dem oberen Totpunkt abfallen. Durch Erhöhen dieses Intervalls wird die Vermischung von Kraft stoff und Luft vor der Zündung verstärkt, wodurch der Anteil der Verbrennung mit Vormischung, in der das ge samte Gemisch verbrennt, zunimmt. Bei der Verbrennung mit Vormischung ist die Menge des emittierten Rauchs geringer als bei der Diffusionsverbrennung, bei der sich die Verbrennung von einem Teil des Gasgemischs ausbreitet, so daß dieses Verfahren die Stickoxide stark reduzieren kann und dabei die Erzeugung von Rauch unterdrückt.

Selbst wenn jedoch der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt verzögert wird, erfolgt die Vermischung von Kraftstoff und Luft nicht in geeignetem Maß, falls sich die Verwir belung im Verbrennungshohlraum nicht ausreichend aus dem Hohlraum ausbreitet, wenn die Verbrennungskammer aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens vergrößert wird, ferner nimmt dann die Partikel-SOF (lösliche organische Frak tion) zu, wenn das EGR-Verhältnis ansteigt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dieselmotor zu schaffen, in dem die Partikel-SOF, die zu einem Anstieg neigt, wenn das EGR-Verhältnis hoch eingestellt ist, reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Dieselmotor gemäß der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalskombination gelöst.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, einen Diesel motor zu schaffen, bei dem eine Abnahme des Energieumwand lungswirkungsgrades verhindert wird, wenn der Öffnungsdurch messer eines Kolbenhohlraums groß ausgebildet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen un ter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Abgasrückfüh rungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2 einen Graphen, der die EGR-Verhältnis-Steuerkenn linien gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3 einen Graphen, der die Kraftstoffeinspritzzeit punkt-Steuerkennlinien gemäß der vorliegenden Er findung zeigt;

Fig. 4 ein Flußdiagramm, das einen Kraftstoffeinspritz-Steuerprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 einen Graphen, der die Steuerkennlinie einer Basis-Einspritzperiode Avm gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 einen Graphen, der die von der Kraftstofftempera tur abhängende Kraftstoffeinspritzzeitpunkt-Kor rekturkennlinie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 7 einen Graphen, der die von der Kühlwassertempera tur abhängende Kraftstoffeinspritzzeitpunkt-Kor rekturkennlinie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 8 eine Vorderansicht eines Verwirbelungsventils gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine vertikale Schnittansicht eines Hohlraums gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 eine vertikale Schnittansicht eines weiteren Hohlraums gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 zwei Graphen, die die Rauch- bzw. NO_x-Emissionen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 12 einen Graphen, der die Menge emittierter Partikel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 13 einen Graphen, der die Menge emittierter ISF gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14 einen Graphen, der den Betrag der emittierten SOF gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 15 einen Graphen, der die Veränderung des Verwirbe lungsverhältnisses gemäß der vorliegenden Erfin dung zeigt;

Fig. 16 ein Diagramm, das die Veränderung der Gasströmung in einer Verbrennungskammer gemäß der vorliegen den Erfindung zeigt;

Fig. 17 zwei Graphen, die den Wärmefluß im Hohlraum bzw. an der Oberseite des Kolbens 10° vor dem oberen Totpunkt (TDC) gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 18 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 17, die jedoch den Zustand 2° nach dem TDC zeigt;

Fig. 19 eine vertikale Schnittansicht eines Kolbenhohl raums des Standes der Technik;

Fig. 20 ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen dem Kolbenhohlraum-Durchmesserverhältnis, den Kühl verlusten und dem Verwirbelungsverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 21 eine Gruppe von Diagrammen, die die Menge erzeug ten NO_x, den thermischen Wirkungsgrad, den Ar beitsumwandlungsfaktor bzw. die Wärmeerzeugung zeigen;

Fig. 22 eine schematische Darstellung einer Verwirbe lungsverstärkungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 23 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Ansaugkanals mit einem in der Stellung für hohe Verwirbelung befindlichen Blatt gemäß der zweiten Ausführungsform;

Fig. 24 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 23, in der sich jedoch das Blatt in einer Stellung für niedrige Verwirbelung befindet;

Fig. 25 einen Graphen, der eine Veränderung des Verwirbe lungsverhältnisses gemäß der zweiten Ausführungs form zeigt; und

Fig. 26 ein Flußdiagramm, das einen Verwirbelungssteuer prozeß gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.

In Fig. 1 ist ein Dieselmotor 21 gezeigt, der mit einer Ansaugleitung 23, einer Abgasleitung 25, einer EGR-Lei tung 26, die sowohl mit der Abgasleitung 25 als auch mit der Ansaugleitung 23 verbunden ist, ein EGR-Ventil 27 des Membrantyps, das auf Unterdruck anspricht, sowie ein Unterdruck-Steuerventil 28, das diesen Unterdruck lie fert, enthält. Das Unterdruck-Steuerventil 28 stellt den Unterdruck von einer Unterdruckquelle entsprechend einem von einer Steuereinheit 31 ausgegebenen Einschaltdauersi gnal ein. Wenn z. B. die Ausschaltdauer des Unterdruck-Steuerventils 28, d. h. der Aus-Zeitanteil in einem konstanten Zeitintervall, maximal ist, wird von der Unterdruckquelle zum EGR-Ventil 27 ohne Regulierung ein Unterdruck geliefert, wobei sich das EGR-Ventil 27 weit öffnet, um 45% des Abgases in die Ansaugleitung zurück zuführen. Dies entspricht einem EGR-Verhältnis von 80%. Wenn das Ausschaltverhältnis klein ist, wird der zum EGR-Verhältnis 27 gelieferte Unterdruck reduziert, ist die Öffnung des EGR-Ventils kleiner und werden das EGR-Volu men sowie das EGR-Verhältnis kleiner.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird das EGR-Verhältnis in Abhän gigkeit von den Motorbetriebsbedingungen auf eine von fünf Stufen festgelegt.

Das EGR-Verhältnis im Bereich niedriger Drehzahl und niedriger Last besitzt den Maximalwert von 80% und fällt auf 60% ab, wenn die Drehzahl und die Last relativ zu diesem Bereich ansteigen.

Wenn die Drehzahl und die Last höher als in diesem Be reich werden, wird das EGR-Verhältnis reduziert. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Abgastemperatur mit zunehmender Last ansteigt, wobei die Reduzierung von NO_x wegen des Anstiegs der Ansauggastemperatur geringer wäre, falls eine große Menge EGR-Gases zurückgeführt würde. Ein weiterer Grund besteht darin, daß das Zündverzögerungsin tervall des eingespritzten Kraftstoffs bei hoher Last verkürzt wird, so daß die Verbrennung mit Vormischung nicht stattfinden kann.

Die Steuereinheit 31 legt das Ausschaltverhältnis des Unterdruck-Ventils 28 auf der Grundlage eines Signals (Motorlastsignal) von einem Gaspedalniederdrückungsgrad-Sensor 32, der den Niederdrückungsgrad des Gaspedals für den Motor erfaßt, sowie auf der Grundlage eines später beschriebenen Motorreferenzimpulses (Motordrehzahlsignal) fest, um das EGR-Verhältnis von Fig. 3 zu erhalten.

Die Kraftstoffeinspritzpumpe 20 spritzt über eine nicht gezeigte Einspritzdüse Kraftstoff in das Gas ein, das von der Ansaugleitung 23 in die Verbrennungskammer des Motors 21 angesaugt wird. Die Kraftstoffeinspritzpumpe 20 ist eine Pumpe des Verteilertyps, die die Kraftstoffein spritzmenge und dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt entspre chend einem von der Steuereinheit 31 aus gegebenen elek tronischen Signal elektronisch steuert. Dieser Typ einer Kraftstoffeinspritzpumpe ist z. B. aus der DE 43 23 967 A1 (20. Januar 1994) bekannt.

Dieser Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs wird in der Weise verzögert, daß das Zündverzögerungsintervall des eingespritzten Kraftstoffs länger wird, je höher das EGR-Verhältnis ist.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird in einem Bereich mit niedri ger Drehzahl und niedriger Last und somit hohem EGR-Verhältnis oder in der Nähe dieses Bereichs der Kraft stoffeinspritzzeitpunkt zum oberen Totpunkt (TDC) der Kolbenbewegung verzögert. Aufgrund dieser Verzögerung ist die Temperatur in der Verbrennungskammer im Zeitpunkt der Zündung relativ niedrig, außerdem nimmt der Anteil der Verbrennung mit Vormischung zu, so daß die Emission von Rauch bei hoch bleibendem EGR-Verhältnis unterdrückt wird. Die Steuereinheit 31 bestimmt ein an die Kraftstof feinspritzpumpe 20 auszugebendes Signal, so daß der Zündzeitpunkt voreilt, wenn die Motordrehzahl und die Last ansteigen.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm des Steuerprozesses für den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und das Einspritzintervall (Einspritzmenge), der von der Steuereinheit 31 ausgeführt wird.

Im Schritt S1 werden die Motordrehzahl Ne, der Gaspedal niederdrückungsgrad Acc, die Motorkühlwassertemperatur Tw sowie die Kraftstofftemperatur Tf gelesen. Die Motordreh zahl Ne wird anhand des Referenzimpulsausgangs der Kraft stoffeinspritzpumpe 20 ermittelt, ferner wird von einem Winkelsignalausgang von der Kraftstoffeinspritzpumpe 20 ein Kurbelwinkel gelesen. Der Gaspedalniederdrückungsgrad Acc, die Kühlwassertemperatur Tw und die Kraftstofftempe ratur Tf werden vom Gaspedalniederdrückungsgrad-Sensor 32, einem Kühlwassertemperatursensor 34 bzw. einem Kraft stofftemperatursensor 35 erfaßt.

Im Schritt S2 werden Kennfelder für den Basis-Kraftstoffeinspritzzeitpunkt ltm sowie eines Basis-Kraftstoffeinspritzintervalls Avm in Abhängigkeit vom Gaspedalniederdrückungsgrad Acc und von der Motordrehzahl Ne durchsucht.

Das Kennfeld des Basis-Einspritzzeitpunkts ltm basiert auf dem Gaspedalniederdrückungsgrad Acc und der Motor drehzahl Me und ist so festgelegt, daß die in Fig. 3 gezeigten Einspritzzeitpunkt-Kennlinien erhalten werden. Das Basis-Einspritzintervall Avm ist so festgelegt, daß es länger wird, wenn der Gaspedalniederdrückungsgrad Acc zunimmt, wie durch den Graphen von Fig. 5 gezeigt ist.

Im Schritt S3 wird anhand der Kraftstofftemperatur Tf und der Kühlwassertemperatur Tw ein Einspritzzeitpunkt-Kor rekturbetrag Δltm ermittelt und im Schritt S4 zum Basis-Einspritzzeitpunkt ltm addiert.

Der Einspritzzeitpunkt-Korrekturbetrag Δltm ist die Summe aus zwei Korrekturbeträgen Δltm₁ und Δltm₂. In Fig. 6 sind die Kennlinien des Kraftstofftemperatur-Korrekturbe trags Δltm₁ gezeigt, während in Fig. 7 die Kennlinien des Wassertemperatur-Korrekturbetrags Δltm₂ gezeigt sind. Die Verbrennungsgeschwindigkeit sinkt ab, wenn die Temperatur niedriger wird, so daß diese beiden Korrekturbeträge so festgelegt sind, daß ein Voreilungsbetrag um so größer wird, je niedriger die Temperatur wird. Dies ist eine normale Einspritzzeitpunkt-Korrektur und beeinflußt die obenerwähnten Kennlinien von Fig. 3 kaum.

Der Einspritzzeitpunkt lt = ltm + Δltm sowie das Basis-Einspritzintervall Avm werden im Schritt S5 an vorgegebe nen Adressen gespeichert. Die Steuereinheit 31 beginnt in diesem Einspritzzeitpunkt lt mit der Kraftstoffeinsprit zung und gibt an die Kraftstoffeinspritzpumpe ein Signal aus, so daß die Kraftstoffeinspritzung beendet wird, wenn das Basis-Einspritzintervall Avm verstrichen ist.

In jedem Zweig 24 der Ansaugleitung 23 des Motors 21 ist ein Verwirbelungsventil 37 vorgesehen, das mit einem Ausschnitt 36 versehen ist, wie in Fig. 8 gezeigt ist.

Das Verwirbelungsventil 37 wird durch ein nicht gezeigtes Betätigungselement geöffnet und geschlossen, das mit der Drehachse 38 des Verwirbelungsventils 37 verbunden ist und so gesteuert wird, daß es das Ventil 37 im Bereich mit niedriger Drehzahl und niedriger Last des Motors entsprechend einem Steuersignal von der Steuereinheit 31 schließt.

Wenn das Verwirbelungsventil 37 geschlossen ist, strömt das Ansauggas in den Motor nur durch den Ausschnitt 36. Dadurch wird die Strömungsrate des in die Verbrennungs kammer eintretenden Gases erhöht, wodurch die Verwirbe lung in der Verbrennungskammer erhöht wird. In einem Motor mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder kann eine Verwirbelung im Bereich mit niedriger Drehzahl und nied riger Last auch durch Schließen nur eines Einlaßventils erzeugt werden.

Wie in Fig. 9 gezeigt, ist an der Oberseite des Kolbens 40 jedes Motorzylinders ein Kolbenhohlraum 41 ausgebil det. Die Verbrennungskammer ist durch den Kolbenhohlraum 41 sowie durch den durch die obere Fläche 42 des Kolbens 40 und die nicht gezeigten Wände des Zylinders umschlos senen Raum gebildet.

Der Kolbenhohlraum 41 besitzt eine zylindrische Form mit konstanter Öffnung zwischen der oberen Fläche 42 des Kolbens 40 bis zur Grundfläche ohne Einschnürung am Einlaß. In der Mitte der Grundfläche des Hohlraums 41 ist ein konischer Abschnitt 43 ausgebildet, so daß für die Verwirbelung, die spiralförmig von außerhalb des Kolben hohlraums 41 im letzten Teil des Kompressionsvorgangs eintritt, kein Widerstand vorhanden ist und folglich der Kraftstoff und die Luft gut vermischt werden. Es ist auch möglich, dem Kolbenhohlraum 41 eine flache Form zu ver leihen, dann jedoch ohne konischen Teil 43, wie in Fig. 10 gezeigt ist.

Wegen des zylindrischen Kolbenhohlraums 41, der am Einlaß keine Einschnürung besitzt, breitet sich die durch das obengenannte Verwirbelungsventil 37 aufgebaute Verwirbe lung im Kolbenhohlraum 41 von innen nach außen aus und wird auch nach außerhalb des Kolbenhohlraums 41 ausge dehnt, wenn sich der Kolben 40 im Verbrennungsprozeß nach unten bewegt.

Die Öffnung des Kolbenhohlraums 41 ist auf einen großen Wert gesetzt, so daß das Verhältnis:

ist.

Fig. 11 zeigt bei (A) die Rauchkonzentration und bei (B) die NO_x-Konzentration in Abhängigkeit vom EGR-Verhältnis, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt deutlich vor dem TDC gesetzt ist und wenn er bis zum TDC verzögert ist. Gemäß dieser Figur steigt die Rauchkonzentration bei einem Einspritzzeitpunkt vor dem TDC (lt - 8°) stark an, während die NO_x-Konzentration bei ansteigendem EGR-Ver hältnis abnimmt.

Andererseits nimmt die Rauchkonzentration bei einem Einspritzzeitpunkt im TDC (lt = TDC) ab, wenn das EGR-Verhältnis ansteigt. Diese Abnahme der Rauchkonzentration ist durch die Förderung der Vermischung von Kraftstoff und Luft als Ergebnis der Verwirbelung in der Verbren nungskammer bedingt. Es ist außerdem durch die Tatsache bedingt, daß die Zündung verzögert wird und der größte Teil der Verbrennung eine Verbrennung mit Vormischung ist, wie aus den Wärmeerzeugungsmuster dieser Figur hervorgeht.

Unter diesen Betriebsbedingungen wird die Erzeugung von Rauch im wesentlichen auf Null gedrückt, selbst wenn das EGR-Verhältnis hoch ist. In diesem Bereich treten daher Nachteile wie etwa ein Hängenbleiben des Einlaßventils aufgrund der Rückführung von Rauch in die Ansaugleitung 23 nicht auf.

Anhand dieser Technik können Stickoxide und Rauch im Bereich mit hohem EGR-Verhältnis stark reduziert werden.

Der Einspritzzeitpunkt wird entsprechend der Kraftstoff temperatur und der Kühlwassertemperatur korrigiert, so daß ein geeignetes Zünd-Verzögerungsintervall und ein geeigneter Zündzeitpunkt für die Rußreduzierung bei gewünschten Betriebsbedingungen zwischen niedriger Tempe ratur und hoher Temperatur aufrechterhalten werden kön nen.

In den Fig. 12 bis 14 ist für verschiedene Formen des Kolbenhohlraums das emittierte Partikelmaterial (PM) in Abhängigkeit vom Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei hohem EGR-Verhältnis gezeigt.

In einem Querwirbel fördernden Kolbenhohlraum, in dem der Einlaß eines Kolbenhohlraums 60 eingeschnürt ist oder am Einlaß eine Lippe 61 vorgesehen ist, wie in Fig. 19 gezeigt ist, so daß die in den Hohlraum 60 strömende Luft bei nach oben sich bewegendem Kolben eine starke Querver wirbelung hervorruft, um die Turbulenz im Hohlraum zu fördern, so daß die Partikel zunehmen, wenn der Ein spritzzeitpunkt auf einen Wert später als -8° gesetzt wird, wie in Fig. 12 gezeigt ist.

Dagegen werden in einem zylindrischen Hohlraum 41 mit großer Öffnung, der am Einlaß nicht eingeschnürt ist, wie in Fig. 9 oder in Fig. 1 gezeigt ist, Partikel durch die Verzögerung des Zündzeitpunkts auf einen Wert später als -4° reduziert.

Die Partikel enthalten die SOF, d. h. die in organischen Lösungsmitteln leicht lösliche Fraktion, und die ISF, d. h. die unlösliche Fraktion, der Ruß und dergleichen enthält. Unabhängig von der Form des Hohlraums nimmt die ISF bei einem Einspritzzeitpunkt, der auf einen Wert später als -4° verzögert ist, ab, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Andererseits nimmt in einem Querwirbel fördernden Kolbenhohlraum die SOF bei einer Verzögerung des Ein spritzzeitpunkts stark zu, wie in Fig. 14 gezeigt ist. In einem zylindrischen Hohlraum mit großer Öffnung nimmt sie jedoch in Abhängigkeit von der Einspritzzeitpunkt-Verzö gerung nur leicht zu.

Wenn daher der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt unter der Bedingung eines hohen EGR-Verhältnisses in die Nähe des TDC verzögert wird, besitzt ein zylindrischer Hohlraum 41 mit großer Öffnung und ohne Einlaßeinschnürung vom Stand punkt der Reduzierung sowohl der SOF als auch der ISF-Partikel eine wünschenswerte Wirkung.

Nun werden die Gasströmung und das durchschnittliche Verwirbelungsverhältnis für jeden Hohlraumtyp verglichen. Wie in den Fig. 15 und 16 gezeigt, ist in einem Querwir bel fördernden Hohlraum 60 das Verwirbelungsverhältnis im Hohlraum 60 groß, wobei dann, wenn sich ein Kolben 62 nach dem TDC nach unten bewegt, eine starke Verwirbelung im Hohlraum 60 aufrechterhalten wird, obwohl die Verwir belung außerhalb des Hohlraums 60 schwach ist. Anderer seits ist in einem zylindrischen Hohlraum 41 mit großer Öffnung das Verwirbelungsverhältnis im Hohlraum 41 nicht so hoch wie im Fall des Hohlraums 60, die Verwirbelung breitet sich jedoch im Hohlraum 41 von innen nach außen aus, wenn sich der Kolben 40 nach unten bewegt, so daß auch außerhalb des Kolbenhohlraums eine starke Verwirbe lung vorhanden ist.

Bei einem zylindrischen Kolbenhohlraum 41 mit großer Öffnung tritt daher nicht nur innerhalb, sondern auch außerhalb des Hohlraums 41 eine Verbrennung auf. Dies kann durch Messen des Wärmeflusses im Kolbenhohlraum und auf der Kolbenoberseite ermittelt werden, wie in den Fig. 17 und 18 gezeigt ist.

Fig. 17 zeigt einen Einspritzzeitpunkt von 10° vor dem TDC, während Fig. 18 einen Einspritzzeitpunkt von 2° nach dem TDC zeigt. In dem Querwirbel fördernden Hohlraum 60 steigt der Wärmefluß auf der Kolbenoberseite an, wenn der Einspritzzeitpunkt auf einen Wert hinter den TDC verzö gert wird. Das bedeutet, daß für einen Einspritzzeitpunkt vor diesem Punkt die Verbrennung effektiv nur innerhalb des Hohlraums 60 stattfindet. Andererseits ist im zylin drischen Hohlraum 41 mit großer Öffnung der Wärmefluß sowohl innerhalb des Hohlraums 41 als auch auf der Kol benoberseite unabhängig vom Einspritzzeitpunkt hoch. Das bedeutet, daß die Verbrennung auch außerhalb des Hohl raums 41 stattfindet.

Mit anderen Worten, in einem zylindrischen Kolbenhohlraum 41 mit großer Öffnung wird der außerhalb des Hohlraums 41 eingespritzte Kraftstoff bei einer Verzögerung des Kraft stoffeinspritzzeitpunkts bis zum TDC aufgrund der Verwir belung gut verbrannt, welche sich von innerhalb des Hohlraums 41 nach außen ausgebreitet hat, wodurch auch die SOF-Partikel reduziert werden.

In den Fig. 20 und 21 ist die Wirkung des Öffnungsver hältnisses des Kolbenhohlraums 41, d. h. die Wirkung des Verhältnisses Hohlraumdurchmesser/Zylinderbohrungsdurch messer auf Kühlverluste, Wärmewirkungsgrad und NO_x ge zeigt. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, nehmen bei größerem Öffnungsverhältnis des Kolbenhohlraums 41 die Kühlverluste ab, während der Wärmewirkungsgrad verbessert wird und die Stickoxide abnehmen.

Wenn das Öffnungsverhältnis des Kolbenhohlraums auf 0,5 oder größer erhöht wird, wird zwischen der Kolbenober seite und dem Zylinderkopf nicht viel Luft in den Kolben hohlraum geschoben, so daß die Vermischung im Kolbenhohl raum 41 schwach ist. Zwischen den Wänden des Kolbenhohl raums 41 und der Flamme wird eine Lufttemperatur-Grenz schicht gebildet, wird ein Entweichen von Verbrennungs energie nach außen in Form von Wärme über den Kolben 40 unterdrückt und nehmen die Kühlverluste ab. Das bedeutet, daß die Wärmeerzeugung verbessert wird.

Wenn der Hohlraum 41 ein Öffnungsverhältnis von 0,5 oder höher besitzt, nimmt bei einer Diffusionsverbrennung, die die normale Verbrennung in einem normalen Dieselmotor ist, der Arbeitsumwandlungswirkungsgrad ab. Die Verbren nung in dem Dieselmotor-Typ gemäß der vorliegenden Erfin dung ist jedoch eine Verbrennung mit Vormischung. In diesem Fall wird der Arbeitsumwandlungswirkungsgrad bei ansteigendem Öffnungsverhältnis nicht beeinflußt, außer dem kann die Abnahme der Kühlverluste aufgrund der erhöh ten Öffnung wirksam ausgenutzt werden. Ferner nehmen in einem Hohlraum mit großer Öffnung die Kühlverluste bei höherem Verwirbelungsverhältnis ab. Aufgrund dieser Abnahme der Kühlverluste wird der Motorwärmewirkungsgrad verbessert, wodurch auch der Kraftstoffverbrauch verbes sert wird. Ferner nehmen die Stickoxide ab, wenn die Vermischung im Hohlraum 41 geringer wird.

In den Fig. 22 bis 26 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt.

Bei dieser Ausführungsform ist anstelle des Verwirbe lungsventils 37 der ersten Ausführungsform eine Vorrich tung 45 vorgesehen, um das Verwirbelungsverhältnis zu verbessern.

Die Verwirbelungserhöhungsvorrichtung 45 ist in einem schraubenlinienförmigen Einlaßkanal 46 angeordnet, der eine im wesentlichen geradlinige Ansaugleitung 46a und eine um die Achse des Einlaßventils gewundene Leitung 46b besitzt. Die Verwirbelungserhöhungsvorrichtung 45 umfaßt ein drehbares Blatt 47, das in der gewundenen Leitung 46b angeordnet ist, einen mit dem drehbaren Blatt 47 verbun denen Kopplungsmechanismus 48 sowie ein Unterdruck-Betä tigungselement 49, das diesen Kopplungsmechanismus 48 antreibt. Bei Verwendung dieser Vorrichtung kann das Verwirbelungsverhältnis durch die Drehstellung des dreh baren Blatts 47 eingestellt werden. Wenn sich das Blatt 47 z. B. in der in Fig. 23 gezeigten Stellung befindet, ist das Verwirbelungsverhältnis hoch, während das Verwir belungsverhältnis niedrig ist, wenn das Blatt 47 in die in Fig. 24 gezeigte Stellung gedreht ist.

Das Unterdruck-Betätigungselement 49 wird entsprechend dem Unterdruck in einer Unterdruckkammer 50 betätigt. Zwischen der Unterdruckkammer 50 und einer Unter druckquelle ist ein elektromagnetisches Steuerventil 51 vorgesehen. Dieses Steuerventil 51 steuert den Unterdruck in der Unterdruckkammer 50 entsprechend einem Signal von der obengenannten Steuereinheit 31. Die Beziehung zwi schen der Motordrehzahl und dem Verwirbelungsverhältnis ist so festgelegt, daß sich in dem Bereich mit hohem EGR-Verhältnis von Fig. 2 sowie in dem Bereich mit mittlerer und niedriger Motordrehzahl, der den Einspritzzeitpunkt-Verzögerungsbereich von Fig. 3 umfaßt, eine hohe Verwir belung und im Bereich mit hoher Motordrehzahl eine nied rige Verwirbelung ergibt. Genauer ist die Beziehung wie in Fig. 25 gezeigt festgelegt.

Die Öffnung des Steuerventils 51 wird durch die Steuer einheit 31 in der Weise gesteuert, daß dieses Verwirbe lungsverhältnis erhalten wird. Mit anderen Worten, wie im Schritt S11 in Fig. 26 gezeigt ist, werden die Motordreh zahl Ne sowie der Gaspedalniederdrückungsgrad Acc gele sen, wird ein nicht gezeigtes Verwirbelungsverhältnis-Kennfeld anhand dieser Werte durchsucht, um im Schritt S12 ein Basis-Verwirbelungsverhältnis zu berechnen. Im Schritt S13 wird eine diesem Basis-Verwirbelungsverhält nis entsprechende Öffnung Vb des Steuerventils 51 von einem weiteren, gespeicherten Kennfeld gelesen, wobei diese Öffnung im Schritt S14 an einer vorgegebenen Adresse gespeichert wird. Die Öffnung des Steuerventils 51 wird dadurch auf das in Fig. 25 angegebene Verwirbe lungsverhältnis gesteuert.

Durch Verzögern des Eintrittszeitpunkts für hohes EGR-Verhältnis wie bei der obigen ersten Ausführungsform können Stickoxide und Rauch in hohem Maß reduziert wer den, die Verbrennungstemperatur fällt jedoch ab, so daß die Gefahr besteht, daß der Anteil der Kohlenwasserstoffe im Abgas zunimmt. Diese Kohlenwasserstoffe sind in einem Ausmaß vorhanden, in dem sie durch einen Oxidationskata lysator behandelt werden könnten. Durch Erhöhen des Verwirbelungsverhältnisses auf diese Weise und durch die Förderung der Vermischung von Luft und Kraftstoff werden jedoch die Kohlenwasserstoffe stark verringert, so daß ein Oxidationskatalysator unter Umständen nicht mehr notwendig ist. Darüber hinaus wird während eines Be schleunigungsvorgangs der Rauch aufgrund der stärkeren Verwirbelung selbstverständlich reduziert.

Die obenerwähnte Verwirbelungserhöhungsvorrichtung mit drehbarem Blatt besitzt ein schnelles Ansprechverhalten und kann die Verwirbelung in einem weiten Bereich steu ern. Sie ist daher für eine Verbrennungssteuerung geeig net, die auf die Reduzierung von Kohlenwasserstoffen zielt, welche auf das Verwirbelungsverhältnis sehr emp findlich reagieren.

Für den Fachmann ist klar, daß die obenbeschriebenen Ausführungsformen der Erfindung abgewandelt werden kön nen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuwei chen, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Dieselmotor, mit mindestens
einem Zylinder, in dem sich ein Kolben (40) befindet,
einem Kolbenhohlraum (41), der in der oberen Stirnfläche (42) des Kolbens (40) ausgebildet ist,
einer durch den Kolbenhohlraum (41) und den Kolben (40) gebildeten Verbrennungskammer,
einer Leitung (23, 24, 25) zum Ansaugen von Luft in die Verbrennungskammer,
einer Einrichtung (20), die Kraftstoff in die angesaugte Luft einspritzt,
Einrichtungen (31, 32, 34, 35), die den Motorbe triebszustand erfassen,
einer Einrichtung (26), die die Verbrennungstem peratur in der Verbrennungskammer entsprechend der Motor betriebsbedingung verändert, und
einer Einrichtung (31), die die Zündung des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer verzögert, wenn die Verbrennungstemperatur niedrig ist,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (37, 45), die eine Verwirbelung der Luft im Hohlraum (41) erzeugt, und
eine Einrichtung, die die Verwirbelung von inner halb des Hohlraums (41) in den Bereich außerhalb des Hohlraums (41) erweitert.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß
der Hohlraum (41) einen Durchmesser besitzt, der gleich oder größer als der halbe Innendurchmesser des Zylinders ist.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verbrennungstemperatur-Veränderungseinrich tung (26) eine Einrichtung zum Verändern der Sauer stoffkonzentration der Luft enthält.

4. Dieselmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Sauerstoffkonzentration-Veränderungseinrich tung (26) das Motorabgas in die Verbrennungskammer zu rückführt.

5. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verzögerungseinrichtung (31) den Einspritz zeitpunkt des Kraftstoffs in die Nähe des oberen Tot punkts des Kolbens (40) verzögert.

6. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verwirbelungserzeugungseinrichtung (37, 45) ein in der Leitung (24) vorgesehenes Drehklappenventil (37) mit einem Ausschnitt (36) enthält.

7. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verwirbelungserzeugungseinrichtung (45) einen schraubenlinienförmigen Kanal (46b), der in der Leitung (23) strömende Luft spiralförmig in die Verbrennungskam mer führt, sowie ein Element (47) enthält, das die Luft strömung im schraubenlinienförmigen Kanal (46b) in eine Richtung leitet, in der in Abhängigkeit vom Betriebs zu stand des Motors die Verwirbelung entweder gefördert oder reduziert wird.

8. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Erweiterungseinrichtung eine zylindrische Wand des Hohlraums (41) umfaßt, die einen konstanten Durchmesser aufweist.