DE69800134T2

DE69800134T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69800134T2
Application number: DE69800134T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Sato; Hiromichi Yanagihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1998-01-12
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: JPH10252541A; DE69800134D1; JP3743099B2; EP0853188B1; US6006720A; EP0853188A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor.

Beschreibung des Stands der Technik

Aus dem Stand der Technik (japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 7-31588) ist ein Motor einer Verdichtungszündbauart bekannt, bei dem bei einem Verdichtungshub etwas vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingespritzt wird. Die mittlere Teilchengröße des zu diesem Zeitpunkt eingespritzten Kraftstoffs entspricht dabei zumindest einer Teilchengröße, bei der die Temperatur der Kraftstoffteilchen an etwa dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs einen Siedepunkt des Kraftstoffhauptbestandteils erreicht, der durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmt ist, damit nach der Einspritzung ein durch ein Sieden des Kraftstoffhauptbestandteils bedingtes Abdampfen des Kraftstoffs von den Kraftstoffteilchen verhindert wird, bis der obere Totpunkt des Verdichtungshubs erreicht ist, und damit der Kraftstoffhauptbestandteil in den Kraftstoffteilchen im Wesentlichen nach Erreichen des oberen Totpunkts des Verdichtungshubs zum Sieden und Verdampfen gebracht wird, um eine Zündung zu erzeugen.
Bei diesem Motor der Verdichtungszündbauart besteht die Absicht, die Teilchen des eingespritzten Kraftstoffs gleichmäßig in der Verbrennungskammer zu verteilen und dadurch die Erzeugung von Ruß und NOx im Wesentlichen auf null zu senken. Falls sich jedoch der Druck in der Verbrennungskammer erhöht, wird der Luftwiderstand größer, sodass die Teilchen des eingespritzten Kraftstoffs nicht über einen weiten Bereich zur Verteilung gebracht werden können. Um den Teilchen des eingespritzten Kraftstoffs zu erlauben, sich über einen weiten Bereich zu verteilen, wird der Kraftstoff daher etwas vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs eingespritzt, wenn der Druck in der Verbrennungskammer gering ist.
Doch selbst wenn die Teilchen des eingespritzten Kraftstoffs über einen weiten Bereich verteilt werden, wird NOx und Ruß erzeugt, wenn sich aus den Kraftstoffteilchen ein Abschnitt verdampften Kraftstoffs schwerer Dichte bildet. Die Gründe hierfür sind nachstehend ausführlich erläutert, doch vereinfacht sind es die Folgenden:
Wenn der Kraftstoff etwas vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs auf die vorstehend genannte Weise eingespritzt wird und die Kraftstoffteilchen groß sind, wird die durch ein Sieden des Kraftstoffhauptbestandteils der Kraftstoffteilchen bedingte Kraftstoffverdampfung nämlich verhindert, bis im Wesentlichen der obere Totpunkt des Verdichtungshubs erreicht ist. Der eingespritzte Kraftstoff enthält jedoch Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt. Die Siedetemperatur der Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt, d. h. der Anfangssiede punkt, entspricht einer Temperatur, die deutlich niedriger als die Siedetemperatur des Kraftstoffhauptbestandteils ist. Wenn zu dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung die Temperatur in der Verbrennungskammer höher als der Anfangssiedepunkt ist, werden daher bei dem eingespritzten Kraftstoff die Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt augenblicklich verdampfen. Wenn zu dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung die Temperatur in der Verbrennungskammer niedriger als der Anfangssiedepunkt ist, werden dagegen bei dem eingespritzten Kraftstoff die Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt verdampfen, wenn die Temperatur in der Verbrennungskammer den Anfangssiedepunkt überschreitet. Bei Verdampfung der Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt in dem eingespritzten Kraftstoff bildet sich um die Kraftstoffteilchen herum eine Schicht aus verdampftem Kraftstoff, die die Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt enthält.
Andererseits nimmt die Temperatur in der Verbrennungskammer zu, wenn der Verdichtungshub weitergeht. Wenn die Temperatur in der Verbrennungskammer eine bestimmte Temperatur oder mehr erreicht, verbindet sich der um die Kraftstoffteilchen herum verdampfte Kraftstoff mit Sauerstoff und wird verbrannt. Falls die Dichte der Kraftstoffteilchen zu diesem Zeitpunkt hoch ist, nehmen die Kraftstoffteilchen die Verbrennungswärme des verdampften Kraftstoffs von den umgebenden Kraftstoffteilchen auf und nehmen eine hohe Temperatur an. Infolgedessen werden durch die Hitze Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffteilchen in Wasserstoffatome H&sub2; und Kohlenstoff C zerlegt. Die durch diese Wärmezerlegung erzeugten Wasserstoffatome H&sub2; verbrennen explosiv und erzeugen eine hohe Temperatur, wodurch NOx erzeugt wird. Wenn dagegen infolge der Wärmezerlegung Kohlenstoff C erzeugt wird, werden die Kohlenstoffatome aneinander gebunden und teilweise als Ruß abgegeben.
Falls also die Dichte der Kraftstoffteilchen hoch ist, wird infolge der Wärmezerlegung der Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffteilchen NOx und Ruß erzeugt. Um diese Erzeugung von NOx und Ruß zu verhindern, ist es ausreichend, den Abstand zwischen den Kraftstoffteilchen zu erhöhen. Es reicht daher aus, die Kraftstoffteilchen über einen weiten Bereich verteilen zu lassen. Dementsprechend ist der obige Zylindereinspritzung- Verbrennungsmotor derart gestaltet, dass der Kraftstoff etwas vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs eingespritzt wird, um eine Verteilung der Kraftstoffteilchen über einen weiten Bereich zu veranlassen.
Allerdings ist die Temperatur in der Verbrennungskammer etwas vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs höher als der Anfangssiedepunkt des eingespritzten Kraftstoffs, sodass bei der Einspritzung von Kraftstoff in dem eingespritzten Kraftstoff die Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt augenblicklich verdampfen. Infolgedessen bildet sich um die Kraftstoffeinspritzdüse herum lokal ein Bereich verdampften Kraftstoffs hoher Dichte des Bestandteils mit niedrigem Siedepunkt. Wenn auf diese Weise ein Bereich verdampften Kraftstoffs hoher Dichte ausgebildet wird, erreichen die Kraftstoffteilchen selbst dann, wenn der Zwischenraum zwischen Kraftstoffteilchen groß ist, infolge der Verbrennungswärme des verdampften Kraftstoffs, der zwischen den Kraftstoffteilchen mit hoher Dichte vorhanden ist, eine hohe Temperatur und werden die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffteilchen daher durch die Wärme in Wasserstoffatome H&sub2; und Kohlenstoff C zerlegt, sodass NOx und Ruß erzeugt werden.
Um diese Erzeugung von NOx und Ruß zu verhindern, ist es notwendig, die lokale Ausbildung eines Bereichs verdampften Kraftstoffs hoher Dichte des Bestandteils mit niedrigem Siedepunkt zu verhindern. Zu diesem Zweck müssen die Kraftstoffeinspritzung und die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs abgeschlossen sein, bevor die Temperatur in der Verbrennungskammer die Anfangssiedetemperatur erreicht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, mit dem sich die erzeugte Menge an Ruß und NOx auf im Wesentlichen null senken lässt.
Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, der eine Verbrennungskammer; eine in der Verbrennungskammer angeordnete Kraftstoffeinspritzdüse; und eine Einspritzsteuerungseinrichtung umfasst, die Kraftstoff zu einem abgestimmten Zeitpunkt einspritzt, wenn eine Temperatur von in die Verbrennungskammer eingebrachten Kraftstoffteilchen während eines Verdichtungshubs, durch Temperatur und Druck in der Verbrennungskammer bestimmt, über die Nachbarschaft einer Minimaltemperatur eines kalten Flammenbereichs hinaus ansteigt und nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs, von der Temperatur und dem Druck in der Verbrennungskammer bestimmt, einen Reaktionsstagnationsbereich erreicht und die Kraftstoffteilchen nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs über die Verbrennungskammer als Ganzes verteilt werden, wobei die Kraftstoffteilchen an im Wesentlichen dem oberen Totpunkt des Verdichtungs hubs oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs sieden und verdampfen und der Kraftstoff gezündet und verbrannt wird.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 einen Überblick über einen Verbrennungsmotor;
Fig. 2 eine Seitenschnittansicht des Verbrennungsmotors;
Fig. 3 eine Bodenansicht eines Zylinderkopfes gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine Seitenschnittansicht einer Kraftstoffeinspritzdüse;
Fig. 5 eine vergrößerte Seitenschnittansicht eines Stirnendes einer Kraftstoffeinspritzdüse;
Fig. 6 eine Bodenansicht eines Zylinderkopfs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine Ansicht zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahrens;
Fig. 8 eine Ansicht der Druckänderungen in der Verbrennungskammer, die durch lediglich die Verdichtungswirkung eines Kolbens hervorgerufen werden;
Fig. 9 eine Ansicht des Siedepunkts und der Temperaturänderungen der Kraftstoffteilchen;
Fig. 10A und Fig. 10B Ansichten der Kraftstoffteilchenverteilung;
Fig. 11A und Fig. 11B Ansichten der Kraftstoffteilchenverteilung;
Fig. 12 eine Ansicht der Temperatur in der Verbrennungskammer;
Fig. 13A und Fig. 13B Ansichten des abgestimmten Zeitpunkts zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung und der Kraftstoffeinspritzmenge; und
Fig. 14 ein Ablaufdiagramm zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Fig. 1 bis 3 bezeichnet 1 einen Motorkörper, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Verbrennungskammer, 6 ein Paar Einlassventile, 7 ein Paar Eintrittsöffnungen, 8 ein Paar Auslassventile, 9 ein Paar Austrittsöffnungen und 10 eine Kraftstoffeinspritzdüse, die an dem oberen Totpunkt der Verbrennungskammer 5 angeordnet ist. Die Eintrittsöffnungen 7 sind über einen Einlasskrümmer 11 an einen Luftfilter 12 angeschlossen, während die Austrittsöffnungen 9 über einen Auslasskrümmer 13 an eine Abgasleitung 14 angeschlossen sind. Wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt ist, bilden die Eintrittsöffnungen 7 jeweils eine gerade Öffnung, die sich im Wesentlichen geradlinig erstreckt. Bei dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Verbrennungsmotor kann daher in der Verbrennungskammer 5 durch den Luftstrom von der Eintrittsöffnung 7 in die Verbrennungskammer 5 kein Wirbel erzeugt werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besteht eine elektronische Steuerungseinheit 20 aus einem Digitalcomputer und ist mit einem ROM (Festspeicher) 22, einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 23, einer CPU (Mikroprozessor) 24, einem Eingabebaustein 25 und einem Ausgabebaustein 26 versehen, die über einen bidirektionalen Bus 21 verbunden sind. In dem Einlasskrümmer 11 ist ein Einlasslufttemperaturfühler 15 angebracht, um eine zu der Einlasslufttemperatur proportionale Ausgangsspannung zu erzeugen. Die Ausgangsspannung dieses Einlasslufttemperaturfühlers 15 wird über einen entsprechenden A/D- Wandler 27 in den Eingabebaustein 25 eingegeben. Mit einem Gaspedal 30 ist ein Lastfühler 31 verbunden, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die proportional zu dem Maß ist, mit dem das Gaspedal 30 niedergedrückt wird. Die Ausgangsspannung des Lastfühlers 31 wird über einen entsprechenden A/D-Wandler 27 in den Eingabebaustein 25 eingegeben. Darüber hinaus ist an den Eingabebaustein 25 ein Kurbelwinkelfühler 32 angeschlossen, der jedes Mal, wenn sich der Motor um einen vorbestimmten Kurbelwinkel dreht, einen Ausgangsimpuls erzeugt. Anhand des Ausgangsimpuls des Kurbelwinkelfühlers 32 werden der momentane Kurbelwinkel und die Motorumdrehungsgeschwindigkeit berechnet. Der Ausgabebaustein 26 ist ferner über eine entsprechende Ansteuerungsschaltung 28 an die Kraftstoffeinspritzdüse 10 angeschlossen.
Fig. 4 zeigt eine Seitenschnittansicht einer Kraftstoffeinspritzdüse 10. In Fig. 4 bezeichnet 41 eine in dem Kraftstoffeinspritzdüsenkörper 40 gleitfähige Nadel, 42 eine als eine Einheit mit dem Stirnende der Nadel 41 ausgebildeten Ventilkörper, 43 einen an das Stirnende der Nadel 41 angebrachten Federkäfig, 44 eine den Federkäfig 43 nach oben drängende Druckfeder, 45 ein an der Nadel 41 ausgerichteter Stab, 46 eine Kraftstoffspeicherkammer mit einem Fassungsvermögen, das mehrere zehnmal so groß wie die Kraftstoffeinspritzmenge zum Zeitpunkt maximaler Kraftstoffeinspritzung ist, 47 ein in dem Einspritzdüsenkörper 40 gleitfähig angeordneter Kolben, 48 ein piezoelektrisches Element zur Ansteuerung des Kolbens 47, 49 eine den Kolben 47 gegen das piezoelektrische Element 48 drängende Scheibenfeder, 50 eine in der Deckfläche des Kolbens 47 definierte Kammer variablen Fassungsvermögens und 51 eine Kraftstoffzuführungsöffnung.
Die Kraftstoffzuführungsöffnung 51 ist mit einer (nicht gezeigten) Einspritzpumpe verbunden. Der von der Einspritzpumpe abgegebene Kraftstoff wird der Kraftstoffzuführungsöffnung 51 zugeführt. Der der Kraftstoffzuführungsöffnung 51 zugeführte Kraftstoff wird der Kraftstoffspeicherkammer 46 über das Rückschlagventil 52 zugeführt, das lediglich einen Durchgang von der Kraftstoffzuführungsöffnung 51 zu der Kraftstoffspeicherkammer 46 erlaubt. Der in die Kraftstoffspeicherkammer 46 zugeführte Kraftstoff wird einerseits um das Stirnende der Nadel 41 herum durch den Kraftstoffkanal 53 geführt und andererseits über das Rückschlagventil 54, das lediglich einen Durchgang von der Kraftstoffspeicherkammer 46 zu der Kammer variablen Fassungsvermögens 50 erlaubt, der Kammer variablen Fassungsvermögens 50 zugeführt. Der in das Innere der Kammer variablen Fassungsvermögens 50 zugeführte Kraftstoff wird zu der Deckfläche 55 des Stabs 45 geführt, wodurch der Kraftstoffdruck in der Kammer variablen Fassungsvermögens 50 auf die Deckfläche 55 des Stabs 45 wirkt.
Fig. 5 zeigt das Stirnende der Nadel 41. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, weist der Ventilkörper 42 der Nadel 41 eine konisch geformte Einspritzkraftstoff-Führungsfläche 42a auf, die aufgrund der Federkraft der Druckfeder 44 (Fig. 4) üblicherweise auf der Sitzfläche 56 sitzt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kraftstoffeinspritzung aus der Kraftstoffeinspritzdüse 10 zum Stillstand gebracht. Wenn von der Kraftstoffeinspritzdüse 10 aus Kraftstoff einzuspritzen ist, wird das piezoelektrische Element 48 mit einer Ladung beaufschlagt. Wird das piezoelektrische Element 48 geladen, dehnt sich das piezoelektrische Element 48 in Axialrichtung aus, sodass der Kolben 47 zum Absinken gebracht wird, woraufhin der Kraftstoffdruck in der Kammer variablen Fassungsvermögens 50 steigt und der Stab 45 daher hinuntergedrückt wird, sodass die Nadel 41 absinkt und sich der Ventilkörper 42 von der Sitzfläche 56 fortbewegt. Infolgedessen wird der Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffspeicherkammer 46 zwischen dem Ventilkörper 42 und der Sitzfläche 56 ausgespritzt.
Wenn als Nächstes die auf das piezoelektrische Element 48 gegebene Ladung abfällt, zieht sich das piezoelektrische Element 48 in Axialrichtung zusammen und wird der Kolben 47 angehoben. Infolgedessen sinkt der Kraftstoffdruck in der Kammer variablen Fassungsvermögens 50, sodass der Stab 45 und die Nadel 41 aufgrund der Federkraft der Druckfeder 44 angehoben werden und die Einspritzkraftstoff-Führungsfläche 42a des Ventilkörpers 42 erneut auf der Sitzfläche 46 sitzt. Dementsprechend wird der Einspritzvorgang des Kraftstoffs zum Stillstand gebracht.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird bei Einspritzung des Kraftstoffs der eingespritzte Kraftstoff F durch die Einspritzkraftstoff-Führungsfläche 42a des Ventilkörpers 42 geführt und breitet sich von dem Stirnende der Nadel 41, d. h. von der Düsenöffnung der Kraftstoffeinspritzdüse 10, als dünner konischer Film aus. Bei dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffeinspritzdüse 10 in der Mitte des oberen Abschnitts der Verbrennungskammer 5 angeordnet und wird der Kraftstoff F daher bei diesem Ausführungsbeispiel derart eingespritzt, dass er sich von der Mitte des oberen Abschnitts der Verbrennungskammer 5 aus als dünner konischer Film in Richtung des Abschnitts um die Verbrennungskammer 5 herum ausbreitet.
Als Nächstes folgt unter Bezugnahme auf Fig. 7 eine Erläuterung des Verbrennungsverfahrens, das die Grundlage der Erfindung darstellt. Es ist zu beachten, dass in Fig. 7 die Ordinate P den Druck in der Verbrennungskammer 5 angibt, während die Abszisse T die Temperatur des Kraftstoffs usw. in der Verbrennungskammer 5 angibt. Darüber hinaus gibt die Kurve Z in Fig. 7 den Zusammenhang zwischen dem Druck P in der Verbrennungskammer 5 und der Gastemperatur T in der Verbrennungskammer 5 während eines Verdichtungshubs an. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, steigt die Gastemperatur T in der Verbrennungskammer 5 mit weitergehendem Verdichtungshub allmählich an.
Wenn in das Innere der Verbrennungskammer 5 ein selbstentzündlicher Kraftstoff zugeführt wird und zu diesem Zeitpunkt um die Kraftstoffteilchen herum ausreichend Luft vorhanden ist, steigt die Temperatur der Kraftstoffteilchen an, wobei jedoch üblicherweise zunächst eine kalte Flammenreaktion auftritt und Aldehyde erzeugt werden. Es besteht keine Klarheit über den Reaktionsablauf bei der Erzeugung der Aldehyde, jedoch wird angenommen, dass die Aldehyde auf die folgende Weise erzeugt werden.
Und zwar werden, wie in der obigen Reaktion (1) gezeigt ist, zunächst aus Sauerstoffatomen Radikale. Wie in der obigen Reaktion (2) gezeigt ist, greifen die Sauerstoffradikale als Nächstes die Endkohlenstoffe der geradkettigen Kohlenwasserstoffe an. Infolgedessen werden aus den Endkohlenstoffen der geradkettigen Kohlenwasserstoffe Radikale und werden Hydroxygruppen erzeugt. Wie in der obigen Reaktion (3) gezeigt ist, reagieren als Nächstes die Endkohlenstoffatome und werden Sauerstoffradikale an die Endkohlenstoffe gebunden. Wie in der obigen Reaktion (4) gezeigt ist, werden aus den Sauerstoffradikalen als Nächstes Hydroxygruppen und werden aus den Hydroxygruppen dann Aldehydgruppen. Die kalte Flammenreaktion findet statt, wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 und die Temperatur T der Kraftstoffteilchen die in Fig. 7 gezeigte Kurve K1 überschreiten.
Wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 und die Temperatur T der Kraftstoffteilchen dagegen die in Fig. 7 gezeigte Kurve K2 überschreiten, verändert sich die Menge an Aldehyden nicht weiter. Es wird angenommen, dass zu diesem Zeitpunkt die obige Reaktion (3) und die Reaktion in die entgegengesetzte Richtung einen Gleichgewichts zustand erreichen und dass die Erzeugung der Aldehyde daher zum Stillstand kommt.
Wenn dagegen der Druck P in der Verbrennungskammer 5 und die Temperatur T der Kraftstoffteilchen die in Fig. 7 gezeigte Kurve K3 überschreiten, wird der Kraftstoff explosionsartig verbrannt. Dieser Bereich wird wie in Fig. 7 angegeben als "heißer Flammenbereich" bezeichnet. In dem Bereich unterhalb des heißen Flammenbereichs, d. h. unterhalb der Kurve K3 und oberhalb der Kurve K2, kommt die Erzeugung von Aldehyden wie vorstehend erläutert zum Stillstand, d. h. die Reaktion tritt in einen stagnierenden Zustand ein, weshalb der Bereich unterhalb der Kurve K3 und oberhalb der Kurve K2 als "Reaktionsstagnationsbereich" bezeichnet wird.
In dem Bereich unterhalb der Kurven K2 und K3 und oberhalb der Kurve K1 findet dagegen eine kalte Flammenreaktion statt. Daher wird dieser Bereich wie in Fig. 7 angegeben als "kalter Flammenbereich" bezeichnet.
Wie vorstehend erläutert wurde, gibt die Kurve Z in Fig. 7 die Gastemperatur T in der Verbrennungskammer 5 während des Verdichtungshubs an. Wenn die Teilchen des in die Verbrennungskammer 5 zugeführten Kraftstoffs klein sind, nimmt die Temperatur der Kraftstoffteilchen im Wesentlichen die Gastemperatur T in der Verbrennungskammer 5 an, sodass die Temperatur T der Kraftstoffteilchen entlang der Kurve Z zunimmt, die über einen weiten Bereich quer über den kalten Flammenbereich schneidet. Das heißt, dass die Kraftstoffteilchen eine verhältnismäßig lange Zeit in dem kalten Flammenbereich bleiben.
Wie vorstehend erläutert wurde, werden in dem kalten Flammenbereich Aldehyde erzeugt. Wenn die Kraftstoff teilchen in diesem Fall eine verhältnismäßig lange Zeit in dem kalten Flammenbereich bleiben, lösen sich die Endkohlenstoffe der geradkettigen Kohlenwasserstoffe als Aldehyde ab. Da sich dies wiederholt, nimmt die Anzahl an Kohlenstoffatomen in den geradkettigen Kohlenwasserstoffen allmählich ab. Wenn die Erzeugung von Aldehyden auf diese Weise weiterläuft, nimmt die erzeugte Wärmemenge zu. Infolgedessen steigt die Temperatur der Kraftstoffteilchen scharf an, sodass die Temperatur T der Kraftstoffteilchen während des Verdichtungshubs den heißen Flammenbereich erreicht, wie durch 21 in Fig. 7 angegeben ist. Wenn die Temperatur T der Kraftstoffteilchen den heißer. Flammenbereich erreicht, findet eine rasche Verbrennung statt und wird eine sogenannte vorzeitige Verbrennung hervorgerufen.
Die Kurve X in Fig. 7 zeigt dagegen die Änderungen der Temperatur T großer Kraftstoffteilchen. Wenn die Kraftstoffteilchen groß sind, ist die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs der Kraftstoffteilchen geringer, sodass die Temperatur T der Kraftstoffteilchen, nachdem sie die Nachbarschaft der Minimaltemperatur des kalten Flammenbereichs durchlaufen haben, während des Verdichtungshubs wie in Fig. 7 angegeben ansteigt. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel bleiben die Kraftstoffteilchen in dem kalten Flammenbereich für eine äußerst kurze Dauer. Wenn die Kraftstoffteilchen für lediglich eine äußerst kurze Dauer in dem kalten Flammenbereich bleiben, werden fast keine Aldehyde erzeugt, sodass die erzeugte Menge an Aldehyden äußerst klein ist. In diesem Fall ist die erzeugte Wärmemenge gering, weshalb keine vorzeitige Entzündung auftritt.
Wenn der Verdichtungshub weitergeht, erhöht sich als Nächstes die Temperatur T der Kraftstoffteilchen entlang der Kurve X in den Reaktionsstagnationsbereich hinein. Wie vorstehend erläutert ist, kommt die Erzeugung von Aldehyden in dem Reaktionsstagnationsbereich zum Stillstand. Daher tritt zu diesem Zeitpunkt keine Wärmeerzeugungswirkung auf. Wenn als Nächstes der obere Totpunkt des Verdichtungshubs erreicht wird, gehen bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel die Kraftstoffteilchen direkt neben der Kurve K3 in den Zustand Y unterhalb der Kurve K3 über. Zwar kann in diesem Zustand Y äußerst leicht eine Verbrennung stattfinden, doch tritt diese noch nicht auf. Wenn als Nächstes der obere Totpunkt des Verdichtungshubs überschritten wird und der Druck in der Verbrennungskammer 5 zu fallen beginnt, siedet der Kraftstoff und dampft von den Kraftstoffteilchen ab. Wenn der Kraftstoff siedet und verdampft, steigt die Temperatur T des verdampften Kraftstoffs, wie durch X1 in Fig. 7 gezeigt ist, rasch zu der mit Z angegebenen Gastemperatur in der Verbrennungskammer 5 hin an und erreicht augenblicklich den heißen Flammenbereich. Aufgrund dessen wird eine Verbrennung des Kraftstoffs eingeleitet.
Wenn sich die Kraftstoffteilchen wie später erläutert in einem Teil der Verbrennungskammer S sammeln, nimmt die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 lokal eine hohe Temperatur an und wird NOx oder Ruß erzeugt. Wenn jedoch die Kraftstoffteilchen zu diesem Zeitpunkt gleichmäßig in der Verbrennungskammer 5 verteilt sind, bleibt die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 insgesamt niedriger und wird daher kein weiteres NOx oder Ruß erzeugt. Das heißt, dass wenn sich die Temperatur T der Kraftstoffteilchen entlang der Kurve X ändert und den Zustand Y erreicht, überhaupt kein NOx oder Ruß mehr erzeugt wird, falls die Kraftstoffteilchen gleichmäßig in der Verbrennungskammer 5 verteilt sind.
Wenn den Kraftstoffteilchen andererseits bei Erreichen des Zustands Y in Fig. 7 Zündenergie verliehen wird, erreichen sie augenblicklich den heißen Flammenbereich, wie durch X2 in Fig. 7 angegeben ist, und beginnt der Kraftstoff sich zu entzünden. Diese Zündenergie kann zum Beispiel durch eine Zündkerze 16 eingebracht werden, die wie in Fig. 6 gezeigt an der Innenseite einer Wand 3a des Zylinderkopfs angeordnet ist. Darüber hinaus ist es möglich, Laserlicht oder Ultraschallwellen als Zündenergie zu verwenden.
Wenn des weiteren das Verdichtungsverhältnis des Motors erhöht wird, erreichen die Kraftstoffteilchen den heißen Flammenbereich an im Wesentlichen den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs, wie durch X3 in Fig. 7 angegeben ist, und beginnt der Kraftstoff sich zu entzünden.
Wenn die Kraftstoffteilchen klein sind, erhöht sich die Temperatur T der Kraftstoffteilchen wie vorstehend erwähnt entlang der Kurve Z in Fig. 7 und wird infolgedessen eine vorzeitige Verbrennung herbeigeführt. Falls eine vorzeitige Verbrennung herbeigeführt wird, steigt der Verdichtungsdruck rasch an und wird eine große Menge an NOx und Ruß erzeugt. Sind die Kraftstoffteilchen dagegen groß, steigt die Temperatur T der Kraftstoffteilchen entlang der Kurve X in Fig. 7 an. Falls die Kraftstoffteilchen gleichmäßig in der Verbrennungskammer 5 verteilt sind, während sie sich in dem Zustand Y befinden, wird kein NOx oder Ruß mehr erzeugt. Eine Vergrößerung der Kraftstoffteilchen stellt daher ein Verfahren dar, mit dem sich die Erzeugung von NOx oder Ruß verhindern lässt.
Es ist jedoch zu beachten, dass falls die Temperatur T der Kraftstoffteilchen einen hohen Wert annimmt, die Temperatur T der Kraftstoffteilchen, selbst wenn die Kraftstoffteilchen vergrößert werden, wie durch die Kurve Z angegeben über eine verhältnismäßig lange Zeitdauer in 9 dem kalten Flammenbereich bleibt und daher eine vorzeitige Zündung herbeigeführt wird. Wenn die Kraftstoffteilchen eine große Wärmemenge von den Wänden in der Verbrennungskammer aufnehmen, wenn die Temperatur der in die Verbrennungskammer 5 eingelassenen Einlassluft hoch ist und wenn das Abgas zurückgeführt wird, nimmt die Temperatur T der Kraftstoffteilchen nämlich einen höheren Wert an, sodass selbst bei großen Kraftstoffteilchen die erhebliche Gefahr besteht, dass eine vorzeitige Zündung auftritt.
Im Gegensatz dazu ist es, selbst wenn die Kraftstoffteilchen klein sind, bei einer niedrigen Temperatur T der Kraftstoffteilchen nicht unmöglich, eine Änderung der Temperatur T der Kraftstoffteilchen entlang der Kurve X herbeizuführen. Indem zum Beispiel der Kraftstoff gekühlt wird, indem die Einlassluft gekühlt wird oder indem Wasser eingespritzt wird, um während des Verdichtungshubs einen zu starken Anstieg der Temperatur T der Kraftstoffteilchen zu verhindern, ist es selbst bei kleinen Kraftstoffteilchen möglich, dass die Verbrennung ohne eine Erzeugung von NOx oder Ruß erfolgt.
Um jedoch die Erzeugung von NOx und Ruß vollständig zu verhindern, ist es wie auch immer erforderlich, die Temperatur T der Kraftstoffteilchen durch die Nachbarschaft der Minimaltemperatur des kalten Flammenbereichs ansteigen zu lassen. Der Bereich der Nachbarschaft der Minimaltemperatur lässt sich in diesem Fall nicht klar definieren, jedoch kann dieser Bereich als ein Bereich bezeichnet werden, in dem fast keine Wärme in dem kalten Flammenbereich erzeugt wird.
Es ist zu beachten, dass die Erfindung auf eine Mehrpunktzündung durch Selbstentzündung, d. h. eine Verbrennung über das gesamte Volumen, abzielt, sodass in bezug auf den Kraftstoff ein Kraftstoff wie etwa Leichtöl verwendet wird, der sich selbst entzünden kann. Natürlich ist es ebenfalls möglich, als Kraftstoff Benzin zu verwenden, doch ist gewöhnliches Benzin nicht selbstentzündlich, sodass kein gewöhnliches Benzin verwendet werden kann. Wenn in diesem Fall der Cetan-Wert mehr als 5 beträgt, ist sogar Benzin selbstentzündlich, sodass auch Benzin verwendet werden kann, wenn es einen Cetan- Wert von mehr als 5 aufweist. Darüber hinaus können auch andere Kraftstoffe als Leichtöl oder Benzin verwendet werden, sofern sie Cetan-Werte von mehr als 5 aufweisen.
Als Nächstes folgt eine etwas ausführlichere Erläuterung für den Fall, dass die Größe der Teilchen des eingespritzten Kraftstoffs erhöht wird, um eine Erzeugung von NOx oder Ruß zu verhindern. Außerdem folgt eine Erläuterung hinsichtlich der Notwendigkeit, die Kraftstoffteilchen in der Verbrennungskammer 5 gleichmäßig zu verteilen. Es ist zu beachten, dass sich die folgende Erläuterung insbesondere auf den Zeitpunkt eines Betriebs mit hoher Last bezieht, bei dem leicht Ruß oder NOx auftreten.
Sofern der Kraftstoff wie in der Vergangenheit so zerstäubt wird, dass die mittlere Teilchengröße der Kraftstoffteilchen weniger als 50 um beträgt, ist es, wie auch immer der abgestimmte Einspritzzeitpunkt eingestellt ist, schwierig, eine gleichzeitige Senkung des Rußes und von NOx zu versuchen. Darüber hinaus wird es nicht möglich sein, die erzeugte Menge an Ruß und NOx auf null zu senken. Dies liegt an Problemen, die dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren eigen sind. Wenn der Kraftstoff gerade eingespritzt wird, verdampft nämlich bei dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren augenblicklich etwas Kraftstoff, da die Kraftstoffteilchen klein sind. Der verdampfte Kraftstoff führt zu einer früh einsetzenden raschen Verbrennung. Wenn frühzeitig nach dem Beginn der Einspritzung eine rasche Verbrennung einsetzt, fliegt der später eingespritzte Kraftstoff in die Verbrennungsflamme hinein, sodass der eingespritzte Kraftstoff in einem Zustand mangelnder Luft verbrannt wird und deshalb Ruß erzeugt wird. Falls der eingespritzte Kraftstoff frühzeitig rasch verbrennt und der Verbrennungsdruck rasch ansteigt, erhöht sich zudem die Verbrennungstemperatur und wird daher NOx erzeugt.
Wenn jedoch die mittlere Teilchengröße des eingespritzten Kraftstoffs größer als die bei dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren verwendete mittlere Teilchengröße eingestellt ist und der abgestimmte Einspritzzeitpunkt deutlich früher als der abgestimmte Einspritzzeitpunkt eingestellt ist, der normalerweise bei dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren verwendet wird, kann die erzeugte Menge an Ruß und NOx auf im Wesentlichen null reduziert werden. Dies wird nachstehend erläutert.
Die Kurve in Fig. 8 zeigt die Änderungen des Drucks P in der Verbrennungskammer 5 infolge der Verdichtungswirkung des Kolbens 4. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, steigt der Druck P in der Verbrennungskammer 5 rasch an, sobald 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs überschritten sind. Dies ist unabhängig von dem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 6. Bei jedem Verbrennungs motor einer Hubkolbenbauart ändert sich der Druck P in der Verbrennungskammer 5, wie in Fig. 8 angegeben ist.
Die durch die durchgezogene Linie in Fig. 9 gekennzeichnete Kurve zeigt die Siedetemperatur des Hauptbestandteils des Kraftstoffs bei verschiedenen Kurbelwinkeln, d. h. den Siedepunkt T. Wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 ansteigt, erhöht sich gleichzeitig auch der Siedepunkt T des Kraftstoffhauptbestandteils, sodass der Siedepunkt T des Kraftstoffhauptbestandteils rasch ansteigt, sobald er 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs überschreitet. Die gestrichelten Linien in Fig. 8 zeigen dagegen die Unterschiede bei den Temperaturänderungen der Kraftstoffteilchen infolge der unterschiedlichen Größe der Kraftstoffteilchen, wenn Kraftstoff bei θ&sub0; Grad vor dem oberen Totpunkt OT des Verdichtungshubs eingespritzt wird. Unmittelbar nach dem Einspritzen ist die Temperatur der Kraftstoffteilchen niedriger als der durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmte Siedepunkt T, weshalb die Kraftstoffteilchen von der Umgebung Wärme aufnehmen und sich ihre Temperatur erhöht. Die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung der Kraftstoffteilchen ist zu diesem Zeitpunkt um so höher, je kleiner die Teilchen sind.
Das heißt, dass nach dem Einspritzen die Temperatur der Kraftstoffteilchen bei einer angenommenen Größe der Kraftstoffteilchen von etwa 20 um bis 50 um rasch ansteigt und den Siedepunkt T bei einem Kurbelwinkel weit vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs erreicht, woraufhin infolge eines Siedens ein rasches Abdampfen des Kraftstoffhauptbestandteils von den Kraftstoffteilchen eingeleitet wird. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, erreicht die Temperatur der Kraftstoffteilchen selbst bei einer Größe der Kraftstoffteilchen von 200 um den Siedepunkt T vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs, woraufhin eine rasche Verdampfung des Kraftstoffhauptbestandteils eingeleitet wird. In diesem Fall bleiben die Kraftstoffteilchen während einer verhältnismäßig langen Zeitdauer in dem kalten Flammenbereich, wie durch die Kurve Z in Fig. 7 angegeben ist. Infolgedessen tritt aufgrund einer vorzeitigen Zündung eine explosive Verbrennung auf, wodurch eine große Menge an Ruß und NOx erzeugt wird.
Wenn dagegen die Größe der Kraftstoffteilchen größer als etwa 500 um ist, ist die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs der Kraftstoffteilchen geringer, sodass die Temperatur der Kraftstoffteilchen bis zum Erreichen von im Wesentlichen dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs oder danach nicht den Siedepunkt T erreicht. Das heißt, dass die Temperatur der Kraftstoffteilchen in diesem Fall über die Nachbarschaft der Minimaltemperatur des kalten Flammenbereichs hinaus ansteigt, wie durch die Kurve X in Fig. 7 angegeben ist. Falls die Kraftstoffteilchen größer als etwa 500 um sind, tritt deshalb die Wirkung der durch das Sieden bedingten raschen Verdampfung der Kraftstoffhauptbestandteile bei im Wesentlichen dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs oder nach dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs ein. Falls die Kraftstoffteilchen größer als etwa 500 um sind, kann daher auf der kalten Flammenreaktion beruhend die Erzeugung von Ruß und NOx verhindert werden.
Es ist zu beachten, dass es den Kraftstoffteilchen unmöglich ist, eine vollständig gleichmäßige Größe anzunehmen, sodass bezüglich der Teilchengröße des eingespritzten Kraftstoffs die mittlere Teilchengröße des eingespritzten Kraftstoffs betrachtet werden sollte. Indem so gesehen die mittlere Teilchengröße des einge spritzten Kraftstoffs auf eine Teilchengröße eingestellt wird, bei der die Temperatur der Kraftstoffteilchen den durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmten Siedepunkt T des Kraftstoffhauptbestandteils bei im Wesentlichen dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs oder nach dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs erreicht, tritt ein durch Sieden bedingtes rasches Abdampfen Von den Kraftstoffteilchen nach im Wesentlichen dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs auf.
Damit sich eine erzeugte Menge an Ruß und NOx Von im Wesentlichen null ergibt, müssen jedoch abgesehen davon, dass die Größe der Kraftstoffteilchen auf mehr als etwa 500 um eingestellt wird, die eingespritzten Kraftstoffteilchen in der Verbrennungskammer 5 gleichmäßig verteilt werden. Dies wird als Nächstes unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert. Es ist zu beachten, dass X in Fig. 10 die Kraftstoffteilchen bezeichnet.
Wenn der Kraftstoff auf die oben genannte Weise im Verdichtungshub frühzeitig eingespritzt wird und die Größe der Kraftstoffteilchen X zu diesem Zeitpunkt größer als im Wesentlichen 500 um eingestellt ist, wird die durch Sieden bedingte Abdampfungswirkung des Kraftstoffhauptbestandteils von den Kraftstoffteilchen X verhindert, bis im Wesentlichen der obere Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs erreicht ist. Der eingespritzte Kraftstoff enthält jedoch Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt. Die Siedetemperatur der Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt, d. h. der Anfangssiedepunkt, ist deutlich niedriger als die Siedetemperatur T des Kraftstoffhauptbestandteils. Wenn also die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung oberhalb des Anfangssiedepunkts liegt, werden bei dem eingespritzten Kraftstoff die Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt augenblicklich verdampfen. Wenn dagegen die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung niedriger als der Anfangssiedepunkt ist, verdampfen bei dem eingespritzten Kraftstoff die Bestandteile mit niedrigen Siedepunkt erst, wenn die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 den Anfangssiedepunkt überschreitet. Wenn bei dem eingespritzten Kraftstoff die Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt verbrannt werden, bildet sich um die Kraftstoffteilchen X herum eine Schicht aus verdampften Kraftstoff des Bestandteils mit niedrigem Siedepunkt.
Wenn der Verdichtungshub weitergeht, erhöht sich zudem die Temperatur in der Verbrennungskammer 5. Erreicht die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 mehr als eine vorbestimmte Temperatur, verbindet sich der um die Kraftstoffteilchen X herum verdampfte Kraftstoff mit dem Sauerstoff und wird verbrannt. Das heißt, dass um die Kraftstoffteilchen X herum infolge einer Oxidationsreaktion des verdampften Kraftstoffs eine Verbrennung eingeleitet wird. Dabei sind die Bereiche, die die Verbrennungswärme des um die Kraftstoffteilchen X herum verdampften Kraftstoffs erreicht, in den Fig. 10A und 10B um die Kraftstoffteilchen X herum durch die gestrichelten Linien Y gekennzeichnet. Wenn die Dichte der Kraftstoffteilchen X wie in Fig. 10A angegeben gering ist, sind die Bereiche Y voneinander getrennt, während sich die Bereiche Y, wenn die Dichte der Kraftstoffteilchen X wie in Fig. 10B angegeben groß ist, gegenseitig überlappen.
Wenn sich die Bereiche Y wie in Fig. 10B angegeben gegenseitig überlappen, wird die Temperatur der Leerbereiche zwischen den Kraftstoffteilchen infolge der Verbrennungswärme des um die Kraftstoffteilchen X herum verdampften Kraftstoffs höher sein. Falls sich die Temperatur der Leerbereiche zwischen den Kraftstoffteilchen X auf diese Weise erhöht, nimmt die Temperatur der Kraftstoffteilchen X zu und werden infolgedessen die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffteilchen X durch die Wärme in Wasserstoffatome H&sub2;, Kohlenstoff C und Methan CH&sub4; zerlegt. Aufgrund dessen werden bei einem Anstieg der Temperatur die Wasserstoffe H&sub2; in der Verbrennungskammer 5 explosiv verbrennen, weshalb sich die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 äußerst stark erhöht und eine große Menge an NOx erzeugt wird. Wenn durch diese Wärmezerlegung Kohlenstoff C erzeugt wird, werden die Kohlenstoffatome außerdem aneinander gebunden, sodass Ruß erzeugt wird. Das heißt, dass NOx und Ruß erzeugt werden, wenn die Dichte der Kraftstoffteilchen so hoch wie in Fig. 10B angegeben ist, d. h. wenn in der Verbrennungskammer 5 ein lokal fetter Bereich ausgebildet ist.
Wenn dagegen die Bereiche Y wie in Fig. 10A angegeben voneinander getrennt sind, wird die Verbrennungswärme des um die Kraftstoffteilchen X herum verdampften Kraftstoffs nicht auf die Bereiche Y um andere Kraftstoffteilchen X herum übertragen, weshalb die Temperaturen der Kraftstoffteilchen X nicht so hoch werden. Infolgedessen tritt bei den Kraftstoffteilchen X keine Wärmezerlegung der Kohlenwasserstoffe auf, sodass keine durch Wasserstoffatome H&sub2; bedingte explosive Verbrennung stattfindet und dementsprechend die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 nicht so hoch wird, sodass sich die Erzeugung von NOx verhindern lässt. Da außerdem kein Kohlenstoff C infolge von Wärmezerlegung erzeugt wird, verbinden sich keine Kohlenstoffatome und wachsen zu Ruß. Falls die Kraftstoffteilchen X gleichmäßig verteilt sind und die Dichte der Kraftstoffteilchen X wie in Fig. 10A angegeben kleiner ist, kann eine Erzeugung von Ruß und NOx verhindert werden.
Damit die Kraftstoffteilchen X wie in Fig. 10A gezeigt über die gesamte Verbrennungskammer 5 gleichmäßig verteilt werden, muss der Kraftstoff jedoch von der Kraftstoffeinspritzdüse 10 aus eingespritzt werden, wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist. Der Luftwiderstand wird nämlich größer, wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 hoch ist, sodass sich die Flugstrecke des eingespritzten Kraftstoffs verkürzt, weshalb die Kraftstoffteilchen zu diesem Zeitpunkt, wie in Fig. IIA gezeigt ist, nicht dazu in der Lage sind, sich über die Verbrennungskammer 5 als Ganzes zu verteilen. Wie vorstehend erläutert ist, steigt der Druck P in der Verbrennungskammer rasch an, wenn im Wesentlichen 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs überschritten sind. Falls Kraftstoff eingespritzt wird, nachdem im Wesentlichen 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs überschritten sind, verteilen sich wie in Fig. 11A gezeigt die Kraftstoffteilchen nicht ausreichend in der Verbrennungskammer 5. Im Gegensatz dazu ist der Druck P in der Verbrennungskammer 5 vor im Wesentlichen 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verbrennungshubs niedrig, weswegen sich die Kraftstoffteilchen, wie in Fig. 11B gezeigt ist, über die gesamte Verbrennungskammer 5 gleichmäßig verteilen, falls vor im Wesentlichen 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs Kraftstoff eingespritzt wird. Das heißt, dass es notwendig ist, den Kraftstoff vor im Wesentlichen 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verbrennungshubs einzuspritzen, damit eine gleichmäßige Verteilung der Kraftstoffteilchen über die gesamte Verbrennungskammer 5 veranlasst wird.
Wie in Fig. 12 gezeigt ist, beginnt jedoch die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 von ungefähr 90 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs an rasch anzusteigen. Bei ungefähr 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs ist die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 außerdem höher als der Anfangssiedepunkt des eingespritzten Kraftstoffs. Wenn daher der Kraftstoff vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verbrennungshubs eingespritzt wird, werden die Kraftstoffteilchen über einen weiten Bereich verteilt, wobei jedoch die Bestandteile des eingespritzten Kraftstoffs mit niedrigem Siedepunkt, falls die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 höher als der Anfangssiedepunkt ist, augenblicklich verdampfen, wenn der Kraftstoff gerade eingespritzt wird, weshalb lokal um die Kraftstoffeinspritzdüse 10 herum ein Bereich mit hoher Dichte verdampften Kraftstoffs der Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt gebildet wird.
Falls auf diese Weise ein solcher Bereich mit hoher Dichte verdampften Kraftstoffs ausgebildet ist, d. h. falls in der Verbrennungskammer 5 wie in Fig. 10B angegeben ein lokal fetter Bereich ausgebildet ist, werden die Bereiche Y, bis zu denen die Verbrennungswärme des verdampften Kraftstoffs reicht, selbst bei einem größeren Abstand zwischen den Kraftstoffteilen X anders, als in Fig. 10A gezeigt ist, nicht getrennt voneinander enden und werden in den Bereichen mit hoher Dichte verdampften Kraftstoffs die Zwischenräume zwischen den Kraftstoffteilchen X schließlich mit dem verdampften Kraftstoff gefüllt sein. Falls die Bereiche zwischen den Kraftstoffteilchen X auf diese Weise mit verdampften Kraftstoff gefüllt sind, nehmen die Kraftstoffteilchen X jedoch bei einer Verbrennung des verdampften Kraftstoffs infolge der Verbrennungswärme des verdampften Kraftstoffs eine hohe Temperatur an. Infolgedessen werden die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffteilchen X durch die Wärme in Wasserstoffatome H&sub2; und Kohlenstoff C zerlegt, wodurch NOx und Ruß erzeugt wird.
Um diese Erzeugung von NOx und Ruß zu verhindern, muss die lokale Ausbildung eines Bereichs mit hoher Dichte verdampften Kraftstoffs des Bestandteils mit niedrigem Siedepunkt verhindert werden, d. h. der in Fig. 10A gezeigte Zustand verwirklicht werden. Daher erweist es sich als notwendig, das Abdampfen der Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt von den Kraftstoffteilchen X einzuleiten, wenn die Verteilung der Kraftstoffteilchen X abgeschlossen ist, oder danach einzuleiten, d. h. die Kraftstoffeinspritzwirkung und Verteilung der Kraftstoffteilchen X abzuschließen, bevor die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 den Anfangssiedepunkt erreicht. Falls die Kraftstoffteilchen X zur Verteilung gebracht wurden, bevor die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 den Anfangssiedepunkt erreicht, beginnt das Abdampfen der Bestandteile mit niedrigem Siedepunkt von den Kraftstoffteilchen X, wenn die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 den Anfangssiedepunkt erreicht, weshalb die Bereiche Y wie in Fig. 10A gezeigt voneinander getrennt vorliegen. Infolgedessen findet bei den Kraftstoffteilchen X keine Wärmezerlegung statt und wird daher kein NOx und Ruß erzeugt.
Genauer gesagt enthält zum Beispiel gewöhnliches Leichtöl verschiedene Kraftstoffbestandteile mit Siedepunkten von etwa 150ºC bis 360ºC. Der Anfangssiedepunkt von Leichtöl beträgt daher etwa 150ºC. Die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 erreicht etwa 70 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs ungefähr 150ºC. Für den Kurbelwinkel, mit dem nach dem Einspritzen die Verteilung der Kraftstoffteilchen abgeschlossen ist, kann etwa 40 Grad angenommen werden, sodass es unter Gewährung einer gewissen Zeitverzögerung notwendig ist, das Einspritzen vor etwa 120 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs zu beenden. Daher wird bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bei einer Verwendung von Leichtöl die Kraftstoffeinspritzung vor 120 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs beendet.
Für den Fall dagegen, dass Benzin verwendet wird, wird wie vorstehend erläutert Benzin mit einem Cetan-Wert von mehr als 5 verwendet. Dieses Benzin enthält verschiedene Kraftstoffbestandteile mit Siedepunkten von etwa 30ºC bis 160ºC. Der Anfangssiedepunkt von Benzin beträgt daher etwa 30ºC. Die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 erreicht etwa 100 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs ungefähr 30ºC. Wie vorstehend erläutert ist, kann für den Kurbelwinkel, mit dem nach dem Einspritzen die Verteilung der Kraftstoffteilchen abgeschlossen ist, etwa 40ºC angenommen werden, sodass es unter Gewährung einer gewissen Zeitverzögerung notwendig ist, die Einspritzung vor etwa 150 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs zu beenden. Daher wird bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bei der Verwendung von Benzin die Kraftstoffeinspritzung vor 150 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungshubs beendet.
Es ist zu beachten, dass die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer von dem Verdichtungsverhältnis und der Einlasslufttemperatur bestimmt ist, während der Anfangssiedepunkt durch den Kraftstoff bestimmt ist. Das Verdichtungsverhältnis ist durch den Motor bestimmt, während sich der Anfangssiedepunkt von handelsüblichem Kraftstoff in einem im Wesentlichen festen Bereich befindet, sodass die Temperatur T&sub0; in der Verbrennungskammer 5 in der Praxis lediglich eine Funktion der Einlasslufttemperatur darstellt. Je höher die Einlasslufttemperatur ist, um so früher liegt der Kurbelwinkel, bei dem der Anfangssiedepunkt erreicht wird, sodass, wie in Fig. 13A gezeigt ist, der abgestimmte Zeitpunkt des Einspritzabschlusses θE um so früher liegt, je höher die Einlasslufttemperatur THA ist. Es ist zu beachten, dass der abgestimmte Einspritzzeitpunkt entweder während des Verdichtungshubs oder während des Einlasshubs liegen kann.
Bei der Ausübung dieses Verbrennungsverfahrens, ist es von Bedeutung, dass der eine große Teilchengröße aufweisende Kraftstoff gleichmäßig über den Innenraum der Verbrennungskammer 5 verteilt wird, während zwischen den Kraftstoffteilchen ein Abstand aufrechterhalten wird. Vom Blickpunkt der Hardware spielt daher die Kraftstoffeinspritzdüse 10 eine wichtige Rolle bei der Ausübung des Verbrennungsverfahrens. In Fig. 4 ist ein Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse 10 gezeigt, die für die Ausübung dieses Verbrennungsverfahrens geeignet ist. Bei dieser Kraftstoffeinspritzdüse 10 ist der Kraftstoffeinspritzdruck auf einen niedrigen Druck von etwa 20 MPa eingestellt, um die Erzeugung großer Kraftstoffteilchen zu ermöglichen.
In Fig. 14 ist die Kraftstoffsteuerungsroutine gezeigt.
Gemäß Fig. 14 wird in Schritt 60 zunächst die Kraftstoffeinspritzmenge Q berechnet. Die Kraftstoffeinspritzmenge Q wurde in dem ROM 22 vorab als Funktion des Maßes L, mit dem das Gaspedal 30 niedergedrückt wird, und der Motorgeschwindigkeit N in Form der in Fig. 3B gezeigten Tabelle gespeichert. Als Nächstes wird in Schritt 61 anhand des in Fig. 13A angegebenen Zusammenhangs der abgestimmte Zeitpunkt für das Ende der Kraftstoffeinspritzung θE berechnet. Als Nächstes wird in Schritt 62 anhand der Kraftstoffeinspritzmenge Q, des abgestimmten Zeitpunkts für das Ende der Kraftstoffeinspritzung θE und der Motorgeschwindigkeit N der abgestimmte Zeitpunkt für den Beginn der Kraftstoffeinspritzung θS berechnet. Auf der Grundlage dieses abgestimmten Zeitpunkts für den Beginn der Kraftstoffeinspritzung θS und des abgestimmten Zeitpunkts für das Ende der Kraftstoffeinspritzung θE wird von der Kraftstoffeinspritzdüse 10 aus der Kraftstoff eingespritzt.
Wie vorstehend erläutert ist, ermöglicht die Erfindung eine Reduzierung der erzeugten Menge an Ruß und NOx auf im Wesentlichen null.

Claims

1. Verbrennungsmotor, mit:

einer Verbrennungskammer;

einer in der Verbrennungskammer angeordneten Kraftstoffeinspritzdüse; und

einer Einspritzsteuerungseinrichtung, die Kraftstoff zu einem abgestimmten Zeitpunkt einspritzt, wenn eine Temperatur von in die Verbrennungskammer eingebrachten Kraftstoffteilchen während eines Verdichtungshubs, durch Temperatur und Druck in der Verbrennungskammer bestimmt, über die Nachbarschaft einer Minimaltemperatur eines kalten Flammenbereichs hinaus ansteigt und nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs, von der Temperatur und dem Druck in der Verbrennungskammer bestimmt, einen Reaktionsstagnationsbereich erreicht und die Kraftstoffteilchen nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs über die Verbrennungskammer als Ganzes verteilt werden, wobei die Kraftstoffteilchen an im Wesentlichen dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs sieden und verdampfen und der Kraftstoff gezündet und verbrannt wird.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Einspritzsteuerungseinrichtung die Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungshubs oder Ansaughubs bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel, der zur Verteilung der Teilchen des eingespritzten Kraftstoffs erforderlich ist, vor einem Kurbelwinkel, bei der die Temperatur in der Verbrennungskammer einen Anfangssiedepunkt des Kraftstoffs erreicht, zum Abschluss bringt und zu dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung die mittlere Teilchengröße des eingespritzten Kraftstoffs auf zumindest eine Teilchengröße bringt, durch die die Temperatur der Kraftstoffteilchen den Siedepunkt eines Kraftstoffhauptbestandteils, durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmt, an im Wesentlichen den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs erreicht, um dadurch das durch Sieden des Kraftstoffhauptbestandteils bedingte Abdampfen von Kraftstoff von den Kraftstoffteilchen zu verhindern, bis nach dem Einspritzen im Wesentlichen der obere Totpunkt des Verdichtungshubs erreicht ist, und um zu veranlassen, dass der Kraftstoffhauptbestandteil in den Kraftstoffteilchen nach im Wesentlichen den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs siedet und verdampft und sich der Kraftstoff entzündet und verbrennt.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die Kraftstoffeinspritzung im Wesentlichen 120 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs zum Abschluss gebracht wird, wenn Leichtöl als der eingespritzte Kraftstoff verwendet wird.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die Kraftstoffeinspritzung im Wesentlichen 150 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs zum Abschluss gebracht wird, wenn Benzin als der eingespritzte Kraftstoff verwendet wird.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die mittlere Teilchengröße der Kraftstoffteilchen mindestens im Wesentlichen 500 um beträgt.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse mit einer Kraftstoffspeicherkammer versehen ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei von der Kraftstoffeinspritzdüse aus Kraftstoff in Form eines Konus aus einem dünnen Film eingespritzt wird.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Einspritzsteuerungseinrichtung den abgestimmten Zeitpunkt der Beendigung der Kraftstoffeinspritzung vorverlegt, wenn die Temperatur einer Einlassluft höher wird.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei eine Energiebeaufschlagungseinrichtung vorgesehen ist, um die Kraftstoffteilchen mit einer Zündenergie zu beaufschlagen, und sich der Kraftstoff durch die von der Energiebeaufschlagungseinrichtung beaufschlagte Energie entzündet und verbrennt.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, wobei die Energiebeaufschlagungseinrichtung eine Zündkerze ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei ein Verdichtungsverhältnis so eingestellt ist, dass die Temperatur der Kraftstoffteilchen nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs von dem Reaktionsstagnationsbereich aus zu dem heißen Flammenbereich ansteigt.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Cetan- Wert des Kraftstoffs mehr als 5 beträgt.