DE4317660C1

DE4317660C1 - Direkteinspritzender Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE4317660C1
Application number: DE4317660A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Ing Oppermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1993-05-27
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH0791271A; FR2705729A1; GB2278640A; FR2705729B1; GB2278640B; GB9410612D0

Description

Die Erfindung betrifft einen direkteinspritzenden Verbrennungsmo tor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbren nungsmotors gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.

Aus der Motortechnischen Zeitschrift Nr. 50, 1989, Seiten 426 bis 430 ist ein direkteinspritzender Otto-Viertaktmotor bekannt, bei dem die Verbrennungsluft in einem Motorzylinder mit Hilfe eines Motorkolbens komprimiert wird, der in der Mitte seiner der Zünd kerze zuweisenden Seite eine Kolbenmulde aufweist. In diese Kol benmulde wird mit Hilfe einer Einspritzdüse in der Nähe der obe ren Totpunktlage des Kolbens Kraftstoff eingespritzt. Dieser ver mischt sich mit der unter intensiver Verwirbelung in den Zylinder angesaugten Verbrennungsluft zu einem zündfähigen Gemisch, das durch eine oberhalb der Kolbenmulde befindliche Zündkerze entzün det wird.

Mit Hilfe dieser Brennkammergestaltung konnte Ende der achtziger Jahre mit einem Versuchsmotor ein um bis zu 25% geringerer Kraft stoffverbrauch gegenüber vergleichbaren Motoren realisiert wer den. Nachteilig erwies sich bei diesem Brennraumkonzept, daß ver gleichsweise hohe NO_x-Emissionen von dem Motor abgegeben wurden, die durch die seinerzeitigen Katalysatoren nicht auf den gesetz lich vorgeschriebenen Grenzwert reduzierbar waren.

Des weiteren ist aus der DE-OS 32 48 918 ein Verbrennungsmotor mit Vergaser und Abgasrückführung sowie ein Verfahren zum Betrei ben dieses Motors bekannt geworden, bei dem ein Teil des Abgases des Motors wahlweise den Zylindern zugeführt wird. Mit Hilfe ei nes Abgasrückführkanals wird das Abgas über mehrere Einlaßöffnun gen im Bereich der unteren Totpunktlage des Motorkolbens derart tangential in den Motorzylinder eingesaugt, daß sich das Abgas entlang der Innenwand des jeweiligen Motorzylinders verwirbelt und dabei das zuvor angesaugte Brennstoffluftgemisch im Zentral bereich des Zylinders unterhalb der Zündkerze konzentriert wird.

Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens in Richtung Zündkerze wird die ringförmige Abgassäule und die darin eingeschlossene zylin derförmige Brennstoff-/Luftsäule verdichtet. Im Bereich der obe ren Totpunktlage des Kolbens wird das Brennstoff-/Luftgemisch von der Zündkerze entzündet und der Kolben durch den erhöhten Ver brennungsdruck in bekannter Weise nach unten bewegt, wobei das Abgasauslaßventil geöffnet wird. Sobald der Kolben bei seiner Ab wärtsbewegung die Einlaßöffnung für das rückführbare Abgas pas siert, wird ein Teil des Abgasstromes aus dem vorherigen Verbren nungsvorgang einem anderen Zylinder des Motors zugeleitet und über eine beschriebene tangential angeordnete Einlaßöffnung ein gedrückt. Auf diese Weise entsteht wie oben beschrieben in diesem weiteren Zylinder ebenfalls eine zylindrische Abgassäule, in de ren Mitte das Brennstoff-/Luftgemisch konzentriert ist.

Die Abgaszuführung in die einzelnen Motorzylinder erfolgt über mehrere Abgaseinlaßöffnungen, die tangential im unteren Tot punktbereich der Kolbenbewegung in den Motorzylinder münden. Die se Abgaseinlaßöffnungen sind derart mit Abgasrückführleitungen verbunden, daß Zylinder im Zündfolgenabstand von 360° miteinander verbunden sind. Das heißt, daß etwa der erste mit dem dritten Zy linder und der vierte mit dem zweiten Motorzylinder Abgas mitein ander austauschen können.

Zum Betrieb dieses Verbrennungsmotors wird in einem ersten Ver fahrensschritt ein brennbares Brennstoff-/Luftgemisch oder ein Luftstrom verwirbelnd in den Motorzylinder während des Einlaß hubes eingesaugt. Anschließend wird Abgas tangential in den Zy linder eingelassen, das aus einem Zylinder im Abstand von 360° von der Zündfolge des Motors entweicht, um eine geschichtete Fül lung aus Luft oder einem Brennstoffluftgemisch und Abgas zu er zielen. Dem anschließenden Komprimieren der geschichteten Füllung durch die nach oben gerichtete Kolbenbewegung folgt die Zündung des brennfähigen Brennstoff-/Luftgemisches und ein expandieren der Zylinderfüllung. In einem letzten Arbeitsschritt wird der Zy linder von dem Abgas über das Abgasauslaßventil und die Abgasaus laßöffnungen entlüftet.

Nachteilig an diesem Verbrennungsmotor und dem Verfahren zum Be trieb eines derartigen Motors ist, daß mit ihm die heute gefor derten Kraftstoffverbrauchswerte nicht erreichbar sind und die Abgasemissionswerte nicht den heutigen gesetzlichen Vorschriften entsprechen. Zudem zeigte sich, daß im Teillast- oder gar Leer laufbereich des Motors der Abgasdruck zu gering ist, um in dem ansaugenden Zylinder ausreichend viel Abgas überströmen zu las sen. Im höheren Teillastbereich des Motors besteht zudem die Ge fahr der Vermischung von Abgas und Frischgas im Ansaugrohr für Frischgas, wenn das Abgas das zuvor in den Zylinder eingeströmte Frischgas zurückströmen lassen soll.

Schließlich ist aus der DE-OS 35 16 038 ein Vergasermotor be kannt, bei dem mittels verschiedener Einlaßventile im Zylinder kopf eines jeden Motorzylinders eine Schichtung aus Frischluft oder einem Frischluft-/Abgasgemisch erreicht werden soll. Diese Schichtung soll in einem Ausführungsbeispiel derart aufgebaut sein, daß am Zylinderboden und an den Zylinderwänden ein Mager gemisch und in der Mitte unterhalb der Zündkerze das brennfähige Kraftstoff-/Luftgemisch konzentriert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen direktein spritzenden Verbrennungsmotor mit geschichteter Brennraumladung und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Motors vorzustellen, mit dem der Kraftstoffverbrauch bis auf das Niveau des Kraft stoffverbrauchs von Dieselmotor absenkbar ist und mit dem in al len Lastbereichen stark verringerte Abgasemissionswerte erzielt werden.

Diese Aufgabe wird bei den gattungsgemäßen Einrichtungen mit den kennzeichnenden Merkmalen der Pa tentansprüche 1 und 5 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das vorgeschlagene Motorenkonzept verwirklicht einen direktein spritzenden, mehrzylindrigen Verbrennungsmotor, bei dem ohne An saugdrosselung im Teillastbereich eine λ=1-Regelung möglich ist. Dazu ist vorgesehen, daß bei der Befüllung eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors rückgeführtes Abgas so in den Zylinderraum eingesaugt wird, daß in diesem eine rotierende, etwa topfförmige Konzentration von rückgeführtem Abgas gebildet wird. In den In nenraum dieses topfförmigen Gasgebildes wird anschließend eine Restmenge an Frischluft eingesaugt, in die im Bereich des oberen Totpunktes der Kolbenbewegung Kraftstoff derart direkt in die komprimierte Frischluft eingespritzt wird, daß unabhängig von der Motorlast ständig ein Wert von λ=1 im Brennraum eingestellt ist. Von den Lastpunkten "Leerlauf" bis "Vollast" wird die Menge des zuzuführenden Abgases mit Hilfe von Regelventilen kontinuierlich über die λ=1-Regelung verringert. Der Brennraum ist daher stets mit Gas vollständig gefüllt, so daß in dem Brennraum der Zylinder ein optimaler Verdichtungsenddruck und eine optimale Verdich tungstemperatur über den gesamten Betriebsbereich des Motors an stehen. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad und somit der Kraftstoffverbrauch verbessert, was sich insbesondere im Leer lauf- und Teillastbereich positiv bemerkbar macht.

Durch den ungedrosselten Betrieb, insbesondere im leerlaufnahen Teillastbereich, tritt wegen des stark verringerten Kraftstoff verbrauches eine erhebliche Reduzierung der emittierten CO₂-Menge auf. Aufgrund der "kurzgeschlossenen" Abgasrückführung von einem in den anderen Zylinder wird die Rohemission unter anderem von NO_x im Teillastbereich gegenüber Motoren nach dem Stand der Tech nik weiter reduziert. Zudem erlaubt die permanente λ=1-Regelung bei diesem schichtgeladenen Verbrennungsmotor auch im Teillast- und Leerlaufbereich die Verwendung der bewährten 3-Wege-Kataly satoren, so daß bei verringerter Rohemission die zukünftigen Ab gasgrenzwerte erreichbar sind.

Der Erfindungsgegenstand kann mit Hilfe eines Ausführungsbei spiels erläutert werden. Hierzu ist der Beschreibung eine Zeich nung beigefügt. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Motorblock eines Mehrzylindermotors im Bereich eines Motorzylinders,

Fig. 2 einen aufgeschnittenen Motorzylinder mit Blick auf die Abgaseinlaßkanäle,

Fig. 3 einen Querschnitt durch Fig. 2 im Bereich III,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch Fig. 2 im Bereich IV,

Fig. 5a bis Fig. 7b einen Querschnitt durch einen geschichtet geladenen Motorzylinder, jeweils im Zustand der Befüllungs- und der Komprimierungspha se, und

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Anordnung der Abgasrückführkanäle zwischen den Zylin dern eines vierzylindrigen Verbrennungsmo tors.

In dem in Fig. 1 dargestellten schematischen Querschnitt durch einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor ist mit 1 der Motorblock und mit 2 ein Motorzylinder bezeichnet. Der Motorzylinder wird nach oben hin durch einen Zylinderkopf 3 abgedichtet, durch den eine mittels eines Einlaßventils 18 absperrbare Frischluftzufuhrlei tung 8 sowie eine durch ein Auslaßventil 19 absperrbare Abgaslei tung 9 hindurchgeführt sind. Zusätzlich ragen durch den Zylinder kopf 3 ein Einspritzventil 10 zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes und eine Zündkerze 11 in den Zylinderraum 2. Die Steuerung der Ein- und Auslaßventile 18, 19 erfolgt vorzugsweise mit variablen Steuerzeiten, um die erfindungsgemäße Abgasschich tung im Zylinder zu erreichen.

Der Zylinder 2 wird nach unten durch einen im Zylinder hin und her beweglich angeordneten Kolben 5 abgedichtet, der über eine Kolbenstange 6 mit der Kurbelwelle 7 des Motors verbunden ist.

Im Bereich des unteren Totpunktes UT der Kolbenbewegung sind Ab gasrückführkanäle 30, 30′ angedeutet, die in den Motorzylinder 2 münden. Durch sie kann Abgas aus einem anderen Zylinder des Ver brennungsmotors direkt im Kurzschlußbetrieb in den Motorzylinder 2 eingedrückt werden, sobald der Kolben 5 die Abgaseinlaßöffnun gen der Abgasrückführkanäle 30, 30′ freigibt. Die Abgaseinlaßöff nungen 20, 20′, 21, 21′, 22, 22′ sind am Motorzylinder derart an geordnet, daß in einer bevorzugten Betriebsweise des Motors eine rotierende, etwa topfförmige Abgaskonzentration entsteht, deren Konzentrationsgrenzlinie mit 17 bezeichnet ist. Die zur vollstän digen Befüllung des Motorzylinders 2 notwendige Frischluft 15 be findet sich somit direkt unterhalb der Einspritzdüse 10 und der Zündkerze 11.

Bei einer Bewegung des Kolbens 5 in Richtung des Pfeils 14 zum oberen Totpunkt OT der Kolbenbewegung wird die geschichtete Zy linderfüllung derart komprimiert, daß bei einer Kolbenposition im Bereich des oberen Totpunktes OT Kraftstoff über die Kraftstoff einspritzdüse 10 direkt in die Frischluftkonzentration 15 ein spritzbar und anschließend über die Zündkerze 11 zündbar ist. Bei der anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens 5 wird beim Pas sieren der Einlaßöffnung zu den Abgasrückführkanälen 30, 31, 32 Abgas direkt im Kurzschlußbetrieb an einen anderen Motorzylinder des Verbrennungsmotors weitergegeben, dessen Kolben auf einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle mit gleicher Kurbelwinkel-Kröpfung angeordnet ist. Erst im Anschluß daran wird der Rest des Abgases durch Öffnen des Abgasauslaßventils 19 in das Rohr 9 abgeleitet.

Bei einem Vierzylinder-Verbrennungsmotor ist so der erste Motor zylinder mit dem vierten Motorzylinder bzw. der zweite Motorzy linder mit dem dritten Motorzylinder über die Abgasrückführkanäle verbunden. Über diese Kanäle kann das Abgas dann direkt bei spielsweise vom ersten Zylinder in den vierten Zylinder strömen und umgekehrt. Dies in Abhängigkeit davon, welcher Zylinder sich gerade in der Expansions- bzw. Ansaugphase befindet. Nachdem der weitere Zylinder nun wie beschrieben derart mit rückgeführten Ab gas befüllt ist, daß in diesem eine rotierende, in etwa topfför mige Abgaskonzentration entstanden ist, wird auch dort über das Frischluftzuführventil 18 die zur vollständigen Zylinderbefüllung notwendige Frischluft zugeführt, so daß der Komprimierungsschritt des weiteren Zylinders wie oben beschrieben erfolgen kann.

Fig. 2 zeigt einen Blick in einen längs aufgeschnittenen Motor zylinder im Bereich der unteren Totpunktlage UT des Kolbens 5, bei dem in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung insgesamt sechs Einlaßöffnungen für die Abgasrückführkanäle vor gesehen sind. In dieser aufgeschnittenen Darstellungsweise sind insgesamt drei Abgaseinlaßöffnungen 20, 21, 22 sichtbar, während die anderen geometrisch identisch ausgebildeten Abgaseinlaßöff nungen 20′, 21′, 22′ auf der anderen, nicht sichtbaren Zylinder hälfte um vorzugsweise 180° versetzt angeordnet sind. Diese An ordnung der Abgaseinlaßöffnungen an den Zylindern läßt sich mit Hilfe von Fig. 3 verdeutlichen, in der ein Querschnitt III gemäß Fig. 2 dargestellt ist. In dieser Darstellung wird deutlich, daß in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt sechs Abgasrückführkanäle 30, 30′ 31, 31′, 32, 32′, zu dem Motorzylinder 2 führen. Dabei sind die Abgaskanäle, die mit identischem Querschnitt der Abgas einlaßöffnungen in den Zylinder münden, um jeweils 180° gegenein ander versetzt angeordnet.

Da die Formgebung der Abgaseinlaßöffnung 20, bzw. ihres nicht dargestellten und um 180° versetzt angeordneten Gegenstückes 20′ für die Ausbildung der Schichtladung des Zylinders mit Abgas von besonderer Bedeutung ist, wird in Fig. 4 ein Querschnitt IV ge mäß Fig. 2 dargestellt. In ihm ist sichtbar gemacht, daß der Ab gasrückführkanal 30, 30′ derart tangential und nach oben ange schnitten in den Zylinderraum mündet, daß bei der Befüllung des Zylinderraums mit Abgas aus diesen beiden sich gegenüber stehen den Abgaseinlaßöffnungen 20, 20′ sich wendelförmig überlagernde Teilabgasströme A, B bilden. Diese Teilabgasströme A, B erzeugen im Gegensatz zu dem nach dem Stand der Technik bekannten tangen tialen Abgaseinlaßöffnungen untereinander keine Verwirbelungen. Dadurch kann eine vorzeitige Vermischung von rückgeführtem Abgas und Frischluft im Zylinderraum vorteilhaft vermieden werden.

In den Fig. 5a bis 7b sind unterschiedliche Schichtungszustän de von rückgeführtem Abgas 16 und Frischgas 17 in einem Motorzy linder dargestellt. Dabei zeigen die mit "a" versehenen Figuren den Zustand der Zylinderschichtung zu Beginn der Komprimierungs phase durch den Kolben 5, während die mit "b" versehenen Figuren den Zustand der Zylinderschichtung im Bereich der oberen Tot punktlage der Bewegung des Kolbens 5 darstellen.

Die unterschiedlichen Schichtungszustände von Abgas und Frischluft im Zylinderraum lassen sich durch eine unterschiedliche Nutzung der hier sechs an jedem Zylinder herangeführten Abgasrückführka näle 30, 30′, 31, 31′, 32, 32′, einstellen. Die Abgasrückführka näle können, wie in Fig. 8 nur angedeutet, zu Abgassammelkanälen 34, 35, 36 zusammengeführt werden, die jeweils mit einem Abgas- Regelventil 29, 29′ versehen sind. Mit diesen ist sowohl der Öff nungszeitpunkt als auch die durchzulassende Abgasrückführmenge regelbar.

Um eine Abgas-Frischluftschichtung gemäß Fig. 5a bzw. 5b zu er zeugen, wird demnach Abgas durch die beiden nach oben angeschnit tenen und tangential in den Zylinderraum mündenden Abgasrückführ kanäle 30, 30′ geführt, so daß sich, wie bereits beschrieben, an der Zylinderinnenwand zwei wendelförmige Abgasströme A, B bilden, die im Bezug zur Zylinderwand in vertikaler Richtung untereinan der zusätzlich eine Schichtung im rückgeführtem Abgas bilden. Die auf diese Weise entstehende Schichtung zwischen dem rückgeführten Abgas 16 und der Frischluft 15 ist wegen der ungestörten Zufüh rung aus den beiden um 180° versetzt angeordneten und angeschnit tenen Abgas-Einströmöffnungen sehr viel stabiler als die nach dem Stand der Technik bekannten Schichtungen. Auf diese Weise läßt sich eine frühzeitige Durchmischung in dem Randbereich zwischen der Frischluft- und Abgaszone vermeiden, so daß im Bereich des oberen Totpunktes OT der Kolbenbewegung eine sehr viel bessere Frischgaskonzentration als bisher möglich unterhalb der Kraft stoffeinspritzdüse 10 und der Zündkerze 11 entstehen kann. In diesen komprimierten Frischlufttrog 23 kann dann vorzugsweise im Leerlauf und im unteren Teillastbereich Kraftstoff direkt einge spritzt und mit Hilfe der Zündkerze anschließend gezündet werden.

Sofern eine Zylinderschichtung derart gewünscht ist, daß in der oberen Totpunktlage der Kolbenbewegung eine sich über den gesam ten Zylinderdurchmesser erstreckende Frischluftscheibe 24 ent steht, werden über die Abgas-Regelventile 29, 29′ die Abgasrück führkanäle 31, 31′; 32, 32′ geöffnet, so daß in den Zylinder in der ersten Ansaugphase Abgas so zugeführt wird, daß eine im we sentlichen horizontale Abgaskonzentration 16 entsteht. Im weite ren Verlauf der Kolbenbewegung wird die notwendige Frischluftmen ge lastabhängig zum jeweils optimalen Zeitpunkt angesaugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden gemäß den Fig. 7a und 7b die Abgasrückführkanäle 30, 30′ und 31, 31′ durch die Abgas-Regelventile geöffnet. Auf diese Weise tritt in der er sten Ansaugphase rückgeführtes Abgas 16 so über die Abgasein laßöffnungen 20, 20′, 21, 21′ in den Zylinderraum, daß innerhalb des Zylinderraumes eine rotierende und in etwa topfförmig ausge bildete Abgaskonzentration mit einer Konzentrationsgrenzlinie 17 entsteht. In dessen Innenraum ist im Verlauf des folgenden An saugvorgangs Frischluft 15 einfüllbar. Am Ende des Komprimiervor gangs durch den Kolben 5 entsteht so eine komprimierte Frisch luftlinse 25, über die dann mit Hilfe des Einspritzventils 10 Kraftstoff direkt einspritzbar und das entstandene Gemisch über die Zündkerze 11 zündbar ist.

Zur Verdeutlichung der Anordnung der Abgasrückführkanäle 30, 30′, 31, 31′, 32, 32′ und der Zylinder 26, 27, 28, 2 im Motorblock ist in Fig. 8 ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verbren nungsmotor dargestellt. In dieser Abbildung wird deutlich, daß diejenigen Motorzylinder 26, 2 oder 27, 28 über die Abgaskanäle miteinander verbunden sind, deren Kolben auf den Kurbelwellenzap fen gleicher Kurbelwinkel-Kröpfung angeordnet sind.

Wie sich aus dieser Darstellung zudem ergibt, sind in jedem Ab gaskanal Abgas-Regelventile 29, 29′ vorgesehen, mit deren Hilfe jeder Abgasrückführkanal absperrbar und die durch ihn hindurch leitbare Abgasmenge einstellbar ist. Auf diese Weise ist es mög lich, nur so viel Abgas in die jeweiligen Zylinder zurückzufüh ren, wie für eine lastabhängige λ=1-Regelung notwendig ist. Dies heißt, daß im Teillastbereich eine vergleichsweise starke Zylin derbefüllung mit rückgeführtem Abgas erfolgt, während im Vollast bereich überhaupt keine Abgasrückführung stattfindet. Dadurch kann von den Lastpunkten "Leerlauf" bis zur "Vollast" die Menge des rückführbaren Abgases durch die Abgasregelventile kontinuier lich verringert werden. Der Brennraum ist somit stets vollständig gefüllt, so daß auch im Teillastbereich der Motor ungedrosselt betrieben werden kann. Die direkt in den Brennraum einzuspritzen de Kraftstoffmenge wird dabei so dosiert und der Einspritzbeginn so gesteuert, daß unabhängig von der Motorlast ständig ein Wert von λ=1 eingestellt ist.

Der Betrieb eines derartigen Verbrennungsmotors kann beispielhaft an dem Regel- und Strömungsablauf des Zylinderpaares des ersten und vierten Motorzylinders dargestellt werden. Im Leerlaufbereich setzt nach der Zündung im ersten Zylinder die Expansionsphase ein. Vorzugsweise bleibt das Auslaßventil 19 dieses Zylinders bis nach Passieren des unteren Totpunktes UT durch den Kolben 5 ge schlossen, während das Abgas-Regelventil in dem oder den Abgas rückführkanälen zwischen dem ersten und vierten Zylinder ganz ge öffnet ist.

Durch den sich weiter nach unten in Richtung UT bewegenden Kolben 5 werden die Querschnitte der Abgaseinlaßöffnungen 20, 20′, 21, 21′, 22, 22′ freigegeben. Das Abgas strömt über die Abgasrück führkanäle in den vierten Zylinder, denn infolge des sich syn chronbewegenden Kolbens des vierten Zylinders sind die dortigen Abgaseinlaßöffnungen ebenfalls freigegeben. Da besonders im Last bereich "Leerlauf" der Expansionsdruck beim Öffnen des oder der Abgaskanäle gering ist, ist der Zeitpunkt zum Öffnung des Einlaß ventiles 18 des ansaugenden vierten Zylinders und der zur Öffnung des Auslaßventiles 19 am ersten Zylinder so ausgelegt, daß aus reichend viel Abgas in den vierten Zylinder überströmen kann. So ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Auslaßventil 19 erst 60° nach UT geöffnet wird.

Die Überströmzeit ist begrenzt durch den sich nach Passieren des unteren Totpunktes wieder aufbewegenden Kolbens 5 des ersten und vierten Zylinders, da beim Passieren der Oberkanten der Abgasein laßöffnungen der Abgasrückführkanäle kein weiteres Abgas von ei nem in den anderen Zylinder überströmen kann. Die Menge des über strömenden Abgases läßt sich durch das Abgas-Regelventil in Ab hängigkeit von der Motorlast variieren. Nachdem die Kolben des ersten und vierten Zylinders die Oberkante der Abgaseinlaßöffnun gen passiert haben, wird im ersten Zylinder das Abgasauslaßventil geöffnet und im vierten Zylinder das Einlaßventil 18 für die Restbefüllung des Zylinders mit Frischluft in der Nähe des UT ge öffnet. Die Restbefüllung des Zylinders mit Frischluft kann auch mittels der Drosselklappen vor dem Einlaßventil geregelt werden.

Im Vollastbetrieb wird der Motor wie ein herkömmlicher Ottomotor betrieben. Das wird erreicht, indem die Abgas-Regelventile in den Abgasrückführkanälen zwischen den Zylindern ganz geschlossen sind. Im Übergang von diesen beiden extremen Lastpunkten "Leer lauf" und "Vollast" wird eine λ=1-Regelung durch das Ansteuern der Abgas-Regelventile derart erreicht, daß eine immer geringere Gasmenge überströmt. Dies kann beispielsweise durch einen allmäh lich kleiner werdenden Ventilhub bzw. immer kürzer werdende Öff nungsdauer eines Abgas-Regelventils erfolgen.

Die so sich einstellende und durch die Geometrie und Anordnung der Abgaseinlaßöffnungen variierbare Schichtung zwischen Frisch luft und rückgeführtem Abgas wird durch den in Richtung oberen Totpunkt sich bewegenden Kolben 5 verdichtet und im Lastbereich "Leerlauf" in der Nähe des oberen Totpunktes OT Kraftstoff direkt eingespritzt. Durch diese Verfahrensweise wird vermieden, daß ein Teil des Kraftstoffes bei einem zu frühen Einspritzzeitpunkt in die Abgasschichtung eindiffundiert und eine unvollkommene Ver brennung stattfinden würde.

Im Lastbereich "Vollast" wird der Kraftstoff zu einem Zeitpunkt direkt eingespritzt, zu dem das Ausströmen des Abgases durch das Auslaßventil 19 beendet ist. Hierdurch wird eine gute Homogeni sierung des einströmenden Frischgases mit dem direkt eingespritz ten Kraftstoff erreicht, wodurch eine hohe Leistungsausbeute für den "Vollastbereich" des Motors erreichbar ist. Die Einspritz zeitpunkte zwischen den Extremlastwerten Leerlauf und Vollast liegen zwischen den genannten Zeitpunkten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Ein spritzventil 10 als ein an sich bekanntes luftunterstütztes Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet sein, bei dem der Kraft stoff von einem Luftstrom erfaßt und durch eine Einspritzdüse ge trieben wird. Die hierbei mit dem Kraftstoff transportierte Luft menge kann bei der Anwendung eines derartigen Einspritzventils zur Steuerung der insgesamt in den Zylinder einzubringenden Luft menge beispielsweise im Teillastbereich zur Regelung des λ=1-Ge misches im Bereich der Zündkerze herangezogen werden.

Mittels des beschriebenen Motorkonzeptes ist es erstmals möglich, durch den Einsatz der Direktbenzineinspritzung in einen ge schichteten Brennraum die Schadstoffe im Abgas, besonders im Kaltstart und in der Warmlaufphase stark zu reduzieren. Der di rekt einzuspritzende Kraftstoff benetzt dabei nicht mehr wie bei den Direkteinspritzmotoren nach dem Stand der Technik die kalten Wandungen von Kolben und/oder Zylinder, was insbesondere zu bes seren Abgaswerten im Bereich der Kohlenwasserstoff-Emission führt.

Mit dem ungedrosselten Betrieb, insbesondere im leerlaufnahen Teillastbereich, ist der Kraftstoffverbrauch zudem gegenüber Mo toren nach dem Stand der Technik stark reduziert, so daß sich ei ne Verminderung der emittierten CO₂-Menge ergibt. Aufgrund der zwischen den beschriebenen Zylindern kurzgeschlossenen Abgasrück führung wird die Rohemission unter anderem von NO_x im Teillastbe reich weiter reduziert. Die permanente λ-1-Regelung macht zudem den Einsatz des bewährten 3-Wege-Katalysators auch in dem "schichtgeladenem Teillastbereich" möglich, so daß bei der ver ringerten Rohemission auch zukünftige Abgasgrenzwerte erreichbar sind.

Bezugszeichenliste

1 Motorblock
2 Motorzylinder
3 Zylinderkopf
5 Kolben
6 Kolbenstange
7 Kurbelwelle
8 Luftzuführleitung
9 Abgasleitung
10 Kraftstoffeinspritzventil
11 Zündkerze
14 Bewegungsrichtung
15 Frischluft
16 rückgeführtes Abgas
17 Grenzschicht
18 Ventil
19 Ventil
20, 20′ Abgaseinlaßöffnung
21, 21′ Abgaseinlaßöffnung
22, 22′ Abgaseinlaßöffnung
23 komprimierter Frischlufttrog
24 komprimierte Frischluftscheibe
25 komprimierte Frischluftlinse
26 Motorzylinder
27 Motorzylinder
28 Motorzylinder
29, 29′ Abgasregelventil
30, 30′ Abgasrückführkanal
31, 31′ Abgasrückführkanal
32, 32′ Abgasrückführkanal
34 Abgassammelkanal
35 Abgassammelkanal
36 Abgassammelkanal
A Abgasstrom
B Abgasstrom
OT oberer Totpunkt
UT unterer Totpunkt

Claims

1. Verfahren zum abgas- und verbrauchsoptimalen Betreiben eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors, bei dem vor dem Verdich tungshub eines Kolbens mit Hilfe einer Vorrichtung am Motor zylinder eine rotierende Schichtung von rückgeführtem Abgas und Frischluft erfolgt,
bei dem das Abgas in unterschiedlicher Menge in Abhängigkeit von der Motorlast geregelt in den Motorzylinder geleitet wird,
und bei dem das Abgas zur Befüllung eines Motorzylinders aus dem Abgasentleerungstakt eines anderen Motorzylinders entnom men wird, dessen Kolben auf Kurbelwellenzapfen gleicher Kur belwinkel-Kröpfung angeordnet ist,
wobei die Abgasentnahme aus dem anderen Zylinder im Bereich der unteren Totpunktlage des zugehörigen Kolbens erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Befüllen des Motorzylinders zunächst eine lastabhän gige Abgasmenge mit Hilfe wenigstens eines Abgasregelventils im wesentlichen tangential in den Motorzylinder zudosiert wird,
daß anschließend eine Restmenge an Frischluft zur Vervoll ständigung der Befüllung des Zylinders angesaugt wird,
wobei die eingesaugte Frischluftmenge durch Öffnen eines Ein laßventils zusammen mit dem zuvor zugeführten Abgas und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge so dosiert wird, daß unab hängig von der Motorlast ständig ein Wert von λ=1 eingestellt ist,
daß die geschichtete Zylinderbefüllung anschließend durch den Kolben des Zylinders komprimiert wird,
daß dann in die im Zylinder befindliche Frischluft Kraftstoff direkt eingespritzt und das entstandene Kraftstoff-Luftge misch anschließend entzündet wird, und
daß in der anschließenden Expansionsphase ein Abgasauslaßven til im Zylinder lastabhängig erst dann geöffnet wird, wenn der Zylinderinnendruck noch so groß ist, daß die notwendige Abgasmenge für die Befüllung des anderen Zylinders noch ab führbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rückgeführte Abgas im Bereich der unteren Totpunktlage UT des Kolbens tangential und/oder versetzt radial in den Zylinder eingeführt wird, so daß vorzugsweise eine topfartige Abgas konzentration im Zylinder entsteht, in deren Mitte Frischluft gelagert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das tangential in den Zylinder eingeführte Abgas in Abgasteil strömen A, B vertikal an der Zylinderinnenwand geschichtet ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß die Zylinder des Motors in jedem Lastbereich unge drosselt und mit ständig vollgefülltem Zylinderraum betrieben werden.

5. Direkteinspritzender Verbrennungsmotor,
bei dem in einem Motorblock (1) Motorzylinder (2, 26, 27, 28) angeordnet sind, in denen an einer Kurbelwelle (7) angelenkte Kolben (5) zyklisch hin- und herbewegbar sind,
bei dem jeder Zylinder (2, 26, 27, 28) an seinem oberen Ende durch einen Zylinderkopf (3) verschlossen ist,
bei dem für jeden Zylinder (2, 26, 27, 28) im Zylinderkopf (3) wenigstens je ein Lufteinlaßventil (18), und ein Abgasaus laßventil (19) sowie ein Kraftstoffeinspritzventil (10) und eine Zündkerze (11) angeordnet sind, und
bei dem jeder Zylinder (2, 26, 27, 28) im Bereich des unteren Totpunktes UT der Kolbenbewegung wenigstens zwei tangential zum Zylinderumfang versetzt angeordnete Abgaseinlaßöffnungen (20, 20′) für Abgasrückführkanäle (30, 30′) aufweist, die mit anderen Zylindern verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich jeder Zylinder (2, 26, 27, 28) wenigstens zwei weitere Abgaseinlaßöffnungen (21, 21′, 22, 22′) aufweist, die versetzt radial am Zylinderumfang angeordnet sind,
daß die Abgaseinlaßöffnungen (20, 20′, 21, 21′) derart zueinander angeordnet sind, daß mit ihrer Hilfe in den Zylin der einströmendes rückgeführtes Abgas vorzugsweise eine rotie rende, etwa topfartige Abgasansammlung mit einer Grenzlinie (17) bildet, in deren Innenraum von dem Lufteinlaßventil (18) zudosierte Frischluft (15) konzentrierbar ist, und daß
durch das Kraftstoffeinspritzventil (10) Kraftstoff direkt in den Frischluftbereich des Zylinders einspritzbar und das Luft- und Kraftstoffgemisch mittels der Zündkerze (11) zündbar ist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaseinlaßöffnungen (20, 20′, 21, 21′, 22, 22′) ein zelner Zylinder über Abgasrückführkanäle (30, 30′, 31, 31′, 32, 32′) miteinander verbunden sind.

7. Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abgasrückführkanäle (30, 30′, 31, 31′, 32, 32′) wenigstens jeweils zwei Zylinder miteinander verbin den, deren Kolben auf Kurbelzapfen gleicher Kurbelwinkel- Kröpfung angeordnet sind, so daß bei einem Viertakt-Vierzy lindermotor der erste Zylinder (26) mit dem vierten Zylinder (2) und der zweite Zylinder (27) mit dem dritten Zylinder (28) über diese Abgasrückführkanäle verbunden ist.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß in den Abgasrückführkanälen (30, 30′, 31, 31′, 32, 32′) oder in Abgassammelkanälen (34, 35, 36) jeweils wenigstens ein Abgas-Regelventil (29, 29′) angeordnet ist.

9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abgasrückführkanäle gleicher Geometrie und Einlaßposition in den Zylindern jeweils vorzugsweise um etwa 180° gegeneinander versetzt am Zylinderumfang angeordnet sind.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die tangential am Zylinderumfang angeordne ten Abgaseinlaßöffnungen (20, 20′) derart vertikal nach oben angeschnitten in den Zylinderraum (2) münden, daß sich im Be reich der Zylinderinnenwand wendelförmige Abgasströme (A, B) bilden, die sich gegenseitig überlagernd schichten.

11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (10) als ein luftunterstütztes Einspritzventil ausgebildet ist, bei dem der Kraftstoff von einem Trägerluftstrom im Ventil erfaßt und nach Passieren der Ventilöffnung in sehr feine Kraftstoff teilchen zerrissen wird.