Brennverfahren mit Ladungsschichtung für eine direkteinspritzende, fremdgezündete Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf ein Brennverfahren mit Ladungsschichtung für eine direkteinspritzende, fremdgezündete Brennkraftmaschine, bei dem im Schichtladebetrieb Ladungsluft über einen von zwei stromungsoptimierten, ventilgesteuerten Einlasskanälen in einen Zylinder der Brennkraftmaschine mit einer zylinderkopfseitig dachartigen, Einlassventile und zumindest ein Auslassventil enthaltenden Begrenzung und einem Kolben mit einem der dachartigen Begrenzung angepassten Kolbenboden mit einlassseitig orientierter Mulde eingeführt wird zur Ausbildung einer überwiegenden Drallströmung, wobei Kraftstoff in die Drallströmung aus einer Einspritzdüse eingebracht wird.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 18 036 A1 ist ein gattungsgemäßes Brennverfahren bekannt. Bei diesem Brennverfahren wird im Schichtladebetrieb die Ladungsluft über einen als Füllkanal dienenden Einlasskanal in den Zylinder eingebracht zur Erzeugung einer Drallströmung, die mit der Hubbewegung des Kolbens in Richtung OT im wesentlichen in der Kolbenmulde konzentriert ist. Diese in Drauf- sieht kreisrund gestaltete Kolbenmulde ist im Querschnitt wannenartig gestaltet mit einem stark vertieften, kreisförmigen Abschnitt, von dem aus die Wanne relativ flach ansteigend zur Einlassseite bzw. zur Seite der Einspritzdüse ansteigt, dagegen zur relativ mittig angeordneten Zündeinrichtung relativ steil ansteigend ausgebildet ist. Mit dieser Gestaltung wird das Ziel verfolgt, einen in Richtung des vertieften Ab-
Schnittes eingebrachten Kraftstoff in der Drallströmung über die relativ steil ansteigende Wannenbegrenzung als fette Kraftstoffwolke der Zündeinrichtung zuzuführen.
Um bei diesem bekannten Brennverfahren im Schichtladebetrieb eine Wandanlage- rung des Kraftstoffes in der Kolbenmulde mit der nachteiligen Folge einer verstärkten HC- und Ruß-Bildung zu vermeiden, ist eine genaue Kraftstoffstrahlsteuerung erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Brennverfahren derart weiterzubilden, dass eine tiefe Kolbenmulde bei Schichtladebetrieb als wesentliche Einrichtung zur Ausbildung einer fetten, zündfähigen Kraftstoff-Luft-Ge- mischwolke vermieden ist.
Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass der eine als Füll- kanal dienende Einlasskanal zumindest bei Schichtladebetrieb im wesentlichen un- gedrosselt betrieben wird und dass dieser Einlasskanal mittels einer relativ zur Maschinenhoch-Mittenebene steilen Anordnung von mindestens 20° im Zylinderkopf zumindest ab Einspritzende bei 60° - 30° vor Kolben-OT im Bereich der Kolbenmulde eine Drallströmung erzeugt mit einem im wesentlichen in Richtung der Zylin- derachse gerichteten schlauchartigen Drallkern, der in der einlassseitig im wesentlichen offen gestalteten Kolbenmulde mittels einer auslassseitig von der Mittenachse der Zündeinrichtung maximal bis 0,2 D eines Zylinders mit D = 60 - 100 mm beabstandet angeordneten und bis 0,15 D hohen Kolbenmulden-Berandung derart lagefixiert wird, dass eine im wesentlichen im Drallkern der Drallströmung kompakte, zündfähige Gemischwolke im Bereich der Zündeinrichtung während des weiter nach OT gehenden Kolbens bis zur Zündung bei 0° - 35° nach jeweiligem Einspritzende gehalten wird.
Wie Versuchsergebnisse belegen, bildet sich in einem Zylinder mit großer La- dungsfüllung eine Drallströmung mit einem schlauchartigen Drallkern aus, der erfindungsgemäß mittels einer relativ niedrigen Muldenberandung einer relativ flachen Kolbenmulde ab einem Hubbereich von ca. 80° Kolbenstellung vor OT in Bezug auf eine im Bereich der Zylinderachse angeordnete Zündeinrichtung vorteilhafterweise lagefixiert werden kann. In diesem Drallkern wird erfindungsgemäß Kraftstoff mittels
eines in seinem Impuls lastabhängig steuerbaren Kraftstoffstrahls derart eingebracht, dass der Kraftstoffstrahl den Drallkern in Richtung Auslassseite nur wenig durchsetzt. Mit der Erfindung ist somit im Bereich der Zündeinrichtung eine kompakte, zündfähige Gemischwolke erzielt bei verringerter Gefahr einer Wandan- lagerung an die Kolbenmulde.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens wird Kraftstoff aus einer unterhalb der Einlasskanäle angeordneten Einspritzdüse mit einer zwischen 0° = orthogonal zur Zylinderachse und 30° kolbenseitig nach unten geneigten Strahlachse in Richtung einer im Bereich der Zylinderachse vorgesehenen Zündeinrichtung abgegeben mit einem lastabhängig steuerbaren Impuls derart, dass der wesentliche Anteil eine Spritzkegels in den Drallkern eingebracht ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens dient eine Mehrloch- düse oder ein Drallinjektor mit einem jeweiligen Strahlkegelwinkel von 40° - 55° bzw. von 60° - 80° oder eine Drosselzapfendüse mit ähnlichem Strahlkegelwinkel.
Diese Werte ergeben in Verbindung mit der weiter oben beschriebenen Lage der Einspritzdüse den Vorteil, dass ein Abschnitt des Kraftstoffkegels auf die Zündein- richtung im Drallkegel auftritt und somit ein sicherer Beginn der Verbrennung gewährleistet ist.
Unter Einsatz einer der vorgenannten Einspritzdüsen kann das Brennverfahren auch derart gestaltet sein, dass Kraftstoff aus einer der Zündeinrichtung zylinder- kopfseitig benachbart angeordneten Einspritzdüse abgegeben wird mit einem lastabhängig steuerbaren Impuls derart, dass ein den wesentlichen Kraftstoffanteil in den Drallkern der Drallströmung einbringender Spritzkegel in einem vorbestimmten Abstand zur Kolbenmulde des gegen OT gehenden Kolbens endet.
Weitere Ausgestaltungen zur Durchführung des Brennverfahrens sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Brennraum-Zylinders einer Brennkraftmaschine beschrieben. Es zeigt
Figur 1 einen Brennraum-Zylinder mit Kolben in schematischer Darstellung,
Figur 2 den Kolben in Draufsicht mit einer Mulde.
Bei einem Brennverfahren mit Ladungsschichtung für eine direkteinspritzende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 wird im Schichtladebetrieb Ladungsluft über einen von zwei stromungsoptimierten, ventilgesteuerten Einlasskanälen 2, 2' in einen Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 mit einer zylinderkopfseitig dachartigen, Einlassventile 4 und zumindest ein Auslassventil 5 enthaltenden Begrenzung 6 und einem Kolben 7 mit einem der dachartigen Begrenzung 6 angepassten Kolbenboden 8 mit einlassseitig orientierter Mulde 9 eingeführt zur Ausbildung einer überwiegenden Drallströmung 10. Mittels einer Einspritzdüse 11 wird Kraftstoff in die Drallströmung 10 eingebracht.
Um bei Schichtladebetrieb die Kolbenmulde 9 als wesentliche Einrichtung zur Ausbildung einer fetten, zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischwolke zur Verhinderung einer nachteiligen Wandanlagerung zu vermeiden, wird erfindungsgemäß für das Brennverfahren vorgeschlagen, dass der eine als Füllkanal dienende Einlasskanal 2 zumindest bei Schichtladebetrieb im wesentlichen ungedrosselt betrieben wird und dass dieser Einlasskanal 2 mittels einer relativ zur Maschinenhoch-Mittenebene 12 steilen Anordnung von mindestens 20° im Zylinderkopf 13 zumindest ab Einspritzende bei 60° - 30° vor Kolben-OT im Bereich der Kolbenmulde 9 eine Drallströmung 10 erzeugt mit einem im wesentlichen in Richtung der Zylinderachse 14 gerichteten schlauchartigen Drallkern 15. Dieser Drallkern 15 wird in der einlassseitig im wesentlichen offen gestalteten Kolbenmulde 9 mittels einer auslassseitig von der Mittenachse 14' der Zündeinrichtung 16 maximal bis 0,2 D eines Zylinders 3 mit D = 60 - 100 mm beabstandet angeordneten und bis 0,15 D hohen Kolbenmulden- Berandung 17 derart lagefixiert, dass eine im wesentlichen im Drallkern 15 der Drallströmung 10 gebildete, zündfähige Gemischwolke im Bereich der Zündeinrichtung 16 während des weiter nach OT gehenden Kolbens 7 bis zur Zündung bei 0° - 35° nach jeweiligem Einspritzende gehalten wird. Damit ist im Schichtladebetrieb eine bezüglich HC- und Ruß-Bildung nachteilige Wandanlagerung vorteilhaft vermieden.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Brennverfahrens wird Kraftstoff aus einer unterhalb der Einlasskanäle 2, 2' angeordneten Einspritzdüse 11 mit einer zwischen 0° = orthogonal zur Zylinderachse 14 und 30° kolbenseitig nach unten geneigten Strahlachse 18 in Richtung einer im Bereich der Zylinderachse 14 vorgesehenen Zündeinrichtung 16 abgegeben mit einem lastabhängig steuerbaren Impuls derart, dass der wesentliche Anteil eines Spritzkegels 19 in den Drallkern 15 eingebracht ist. Mit der erfindungsgemäß gewählten Lage der Einspritzdüse 11 ist zusätzlich eine Maßnahme getroffen, um die Wandanlagerung von Kraftstoff weiter zu re- duzieren.
Als Einspritzdüse 11 kann eine Mehrlochdüse mit einem Strahlkegelwinkel des Spritzkegels 19 von 40° - 50° gewählt sein oder ein Drallinjektor mit einem Strahlkegelwinkel des Spritzkegels 19 von 60° - 80° oder auch eine Drosselzapfendüse.
Um den in der Kolbenmulde 9 gefangenen Drallkern 15 der Drallströmung 10 bei Annäherung des Kolbens 7 an die OT-Position im Bereich der Zündeinrichtung 16 platziert zu halten, ist die Berandung 17 der Kolbenmulde 9 - in Draufsicht gesehen gemäß Figur 2 - bogenförmig gestaltet, an die sich weitere Muldenbegrenzungen 20 in Richtung Kolbenrand 21 in einem etwa parallelen Abstand anschließen, wobei die zum Kolbenrand 21 hin offene Kolbenmulde 9 einen zumindest abschnittsweise zum Kolbenrand 21 ansteigend ausgebildeten Muldenboden 22 aufweist, der über angepasste Verrundungen mit Radien von 5 - 20 mm mit den Muldenbegrenzungen 20 und der bogenförmigen Berandung 17 in Verbindung steht. Die einlassseitig offene Gestaltung der Kolbenmulde 9 mit schwach ansteigend zum Kolbenrand 21 ausgebildeten Muldenboden 22 ist eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Wandanlagerung des Kraftstoffes beim Einspritzen.
Neben der anhand der Figur 1 gezeigten und beschriebenen Anordnung der Ein- spritzdüse 11 ist es in einer weiteren Variation des erfindungsgemäßen Brennverfahrens möglich, dass Kraftstoff aus einer der Zündeinrichtung 16 zylinderkopfseitig benachbart angeordneten Einspritzdüse abgegeben wird mit einem lastabhängig steuerbaren Impuls derart, dass ein den wesentlichen Kraftstoffanteil in den Drall-
kern 15 der Drallströmung 10 einbringender Spritzkegel in einem vorbestimmten Abstand zur Kolbenmulde 9 des gegen OT gehenden Kolbens 7 endet.
Jede der Einspritzdüsen 11 ist dabei so angeordnet, dass die jeweilige Zündein- richtung 16 vom Spritzkegel 19 getroffen wird.
Eine für beide vorbeschriebenen Einspritzdüsen-Anordnungen vorteilhafte Ausgestaltung der Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens sieht vor, dass jeder der stromungsoptimierten Einlasskanäle 2, 2' als Füllkanal ausgebildet ist, wobei der zweite Füllkanal im Teillastbereich mittels eines den Kanalquerschnitt gesteuert verschließenden Organs - z.B. Klappe oder Ventilabschaltung - abschaltbar ist.
Diese Einlasskanäle 2, 2' können als voneinander bis zu den Einlassventilen 4 ge- sonderte Füllkanäle gestaltet sein. Eine andere bekannte Maßnahme besteht darin, dass ein für zwei Einlassventile 4 gemeinsamer Einlasskanal von entsprechendem Querschnitt stromauf der Einlassventile 4 verzweigt ausgebildet ist, wobei einem Zweig des Einlasskanales ein abschaltbares und/oder im Hub reduzierbares Einlassventil zugeordnet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Fixierung des Drallkernes 15 in der Mulde 9 spätestens ab dem halben Hubweg des Kolbens 7 in Richtung OT kann der Kraftstoff bei relativ spätem Einspritzende zur Erzielung einer zündfähigen Gemischwolke im Schichtladebetrieb in den Drallkern 15 eingebracht und im wesentlichen darin gehalten werden bis zur Zündung durch die Zündeinrichtung 16, wobei mit der weitgehend ungedrosselt zugeführten Ladungsluft im Schichtladebetrieb in der Teillast neben einer stabilen Drallströmung 10 mit einem kräftigen Drallkern 15 zum anderen wandangelagerter Kraftstoff in die ausgelöste Verbrennung mit einbezogen wird und somit der Ausstoß von HC und Ruß minimiert ist.