WO2006058617A2 - Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (1), in dem ein Brennraum (5) zwischen einem Kolben (3) und einem Zylinderkopf (2) begrenzt ist, einem im Zylinderkopf (2) angeordneten Kraftstoffinjektor (6) und einer im Kolben (3) angeordneten Kolbenmulde (4), wobei Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse (6a) in den Brennraum (5) während eines Arbeitsspiels in Form von mehreren Teilmengen als Vor-, Haupt-, und/oder Nacheinspritzung eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff beim Auftreffen auf die Kolbenmulde (4) zumindest teilweise entlang einer Muldenbodenkontur (11) zwischen einem Kompressionsvorsprung (10) und einem Muldenrand (15) geführt wird, und die entlang der Muldenbodenkontur (11) geführten Kraftstoffanteile durch einen Steigungswechsel (16) im Muldenboden (14) oder durch einen konvex ausgestalteten Bereich (R2) im Muldenboden (14) mindestens teilweise von einer Muldenbodenoberfläche abgelöst oder abgelenkt werden.

Description

Dieselbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung, insbesondere eine selbstzündende direkteinspritzende Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Bei konventionellen Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung wird zunächst Verbrennungsluft komprimiert und anschließend Kraftstoff beispielsweise in Form mehrerer Strahlen eingespritzt, der mittels der Kompressionswärme gezündet wird. Die Vermischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass während des Einspritzvorgangs eine Mischung der brennenden Einspritz- strahlen mit dem umgebenden sauerstoffreichen Gas erfolgt. In der Regel treffen die Einspritzstrahlen mit hohem Impuls auf eine in einem Kolbenboden eingelassene Mulde auf, von der die Kraftstoffstrahlen umgelenkt werden. Daraus ergibt sich eine intensive turbulente Ladungsbewegung, durch die eine vollständige Vermischung des eingespritzten Kraftstoffes mit der Brennraumluft erzielt werden soll. Ziel ist es dabei, die Entstehung von kraftstoffreichen Zonen im Brennraum zu verhindern und somit die Bildung von Rußpartikeln zu reduzieren.

Zur Optimierung einer Dieselverbrennung werden unterschiedliche Kolbenmuldenformen eingesetzt sowie lastabhängige Einspritzstrategien durchgeführt, mit denen eine gezielte Brennraumkonfiguration zur Beeinflussung der Verbrennung im Brennraum festgelegt wird. Dementsprechend können die Gemischaufbereitung im Brennraum intensiviert, die Emissionsbildung im Abgas verbessert und die Funktion einer nachgeschalteten Abgasnachbehandlung optimiert werden.

Aus der DE 10213025 Al ist ein Brennverfahren bekannt, bei dem ein Teil des Kraftstoffes vor dem Einsetzen der Selbstzündung zur Erzielung eines homogenen Vorgemisches in den Brennraum eingespritzt wird. Zur Einstellung eines hohen Mitteldruckes der Brennkraftmaschine wird nach der zuerst einsetzenden Homogenverbrennung eine weitere KraftstoffStoffmenge in den Brennraum eingebracht, die nach einem kurzen Zündverzug schnell entflammt. Bei diesem kombinierten Homogen/Heterogen-Brennverfahren, ebenfalls als HCCI- oder CHHC-Betrieb bekannt, werden die thermische Stickoxidbildung und die Bildung von Partikeln minimiert, wobei CHHC als Abkürzung für "Combined Homogeneous Heterogeneous Combustion" verwendet wird. Bei der nach der homogenen Verbrennungsphase folgenden heterogenen Verbrennungsphase soll die Stickoxidbildung durch eine späte Lage der Kraftstoffeinspritzung und aufgrund einer reduzierten Sauerstoffkonzentration durch den vorangegangenen homogenen Verbrennungsanteil sowie eines Betriebes mit Abgasrückführung (AGR) deutlich vermindert werden. Außerdem soll aufgrund einer Verringerung der heterogenen Kraftstoffeinspritzmenge die Bildung von kraftstoffreichen bzw. fetten Gemischzonen im Brennraum, insbesondere am Ende der Einspritzung reduziert bzw. vermieden werden.

Aus der DE 10213025 Al ist eine Dieselbrennkraftmaschine mit einer Kolbenmuldenform bekannt, mit der sowohl ein homogener als auch ein heterogener Dieselbetrieb ermöglicht. Die in der DE 10213025 Al vorgeschlagene Kolbenmulde ist annähernd tellerförmig ausgebildet, wobei sich aus der Mitte der Kolbenmulde ein Vorsprung in Richtung der Einspritzdüse erstreckt. Mit der tellerartigen Grundform wird versucht, in der Kolbenmulde enge Radien an der Oberfläche zu vermeiden und Querschnittssprünge im Kolbenmaterial zu minimieren, so dass sich die im Betrieb der Brennkraftmaschine auf die Mulde auftreffenden Kraftstoffstrahlen schnell mit der Luft vermischen. Dennoch können während eines CHHC-Betriebs, insbesondere während der heterogenen Verbrennungsphase, kraftstoffreiche Zonen im Bereich des Muldenbodens entstehen. Diese führen insbesondere bei hohen Drehzahl- und Last- bereichen zu einer verstärkten Rußbildung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit Selbstzündung bereitzustellen, bei der die Gemischbildung sowie die Verbrennung im Brennraum verbessert werden. Diese wird erfindungsgemäß jeweils durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 dadurch aus, dass der Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse in den Brennraum während eines Arbeitsspiels in Form von mehreren Teilmengen als Vor-, Haupt-, und/oder Nacheinspritzung eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff beim Auftreffen auf die Kolbenmulde zumindest teilweise entlang einer Muldenboden- kontur zwischen einem Kompressionsvorsprung und einem Muldenrand geführt wird, und die entlang der Muldenboden- kontur geführten Kraftstoffanteile durch einen Steigungs- wechsel im Muldenboden oder durch einen konvex ausgestalteten Bereich im Muldenboden mindestens teilweise von einer Muldenbodenoberfläche abgelöst oder abgelenkt werden.

Die durch den Steigungswechsel bzw. durch den konvex ausgebildeten Abschnitt im Muldenboden erzielten Ablδsungs- effekte ermöglichen eine gezielte Vorwärtsbewegung der Kraftstofftropfchen bzw. des KraftstoffStrahls oder des weitgehend verdampften Kraftstoffes in Richtung einer heißen Kompressionszone in einem Quetschbereich zwischen dem äußeren Kolbenbodenbereich und dem Zylinderkopf. Somit wird auch bei kleineren Kraftstoffmengen, insbesondere wenn die Gesamt- kraftstoffmenge in einer Vor-, Haupt-, und/oder Nacheinspritzung aufgeteilt wird, durch den konvex ausgebildeten Bereich im Muldenboden eine optimierte Führung des eingespritzten Kraftstoffes innerhalb der Kolbenmulde erzielt. Dadurch findet eine intensive Vermischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft vor und/oder während der Verbrennung statt.

Die vorgesehene Muldenform eignet sich aufgrund der erzielten Effekte besonders für einen CHHC-Betrieb, bei dem die jeweils eingespritzten Kraftstoffmengen innerhalb der erfindungsgemäßen Kolbenmulde sowohl für eine homogene Gemischbildungsphase als auch für eine heterogene Verbrennungsphase günstig aufbereitet werden. Weiterhin eignet sich die erfindungsgemäße Muldenform ebenfalls für eine späte Nacheinspritzung, die dazu dient, den Betrieb einer nachgeschalteten Abgasnachbehandlungsanlage zu optimieren.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen konvexen Bereich innerhalb des Muldenbodens kommt eine Oberfläche des Muldeninneren zustande, mit der durch die Ablösungseffekte im Muldenbodenbereich eine Kraftstoffanreicherung insbesondere im Muldenrandbereich sowie am Muldenboden verhindert wird. Eine effektive Reduzierung der Partikelbildung während der Verbrennung wird ermöglicht, und eine notwendige Nachoxidation von gegebenenfalls bereits gebildeten Rußpartikeln kommt rechtzeitig zustande.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Vor-, Haupt- und/oder Nacheinspritzung mit einem unterschiedlichen Spritzlochkegelwinkel in den Brennraum kegelförmig eingespritzt. Dabei kann für die homogene Gemischbildungs- phase ein steiler Spritzlochkegelwinkel verwendet werden, so dass der Kraftstoffstrahl im Wesentlichen auf die Kolbenmulde auftrifft. Folglich wird ein Kraftstoffauftrag auf die Zylinderwand vermieden. Aufgrund der offenen Form der Mulde sowie durch den vorgesehenen konvexen Bereich innerhalb des Muldenbodens bewegt sich die Gemischzone ferner nach außen, so dass eine Kraftstoffkonzentration in einem begrenzten Teilvolumen des Brennraumes minimiert wird, wird die Gemischverteilung durch den konvex ausgebildeten Bereich im Muldenboden in einer Spätphase der Homogenisierung unterstützt. Vorzugsweise wird der Kraftstoff bei der nachfolgenden heterogenen Verbrennungsphase sowohl im Fall der Teillast als auch bei Volllast mit flacherem Spritzkegel- winkel als bei der homogenen Gemischbildungsphase eingespritzt. Durch die erfindungsgemäße Muldenform ergibt sich bei der heterogenen Verbrennungsphase eine zweckdienliche Brennraumerfassung und infolgedessen eine verbesserte und nahezu vollständige Heterogenverbrennung mit geringer Rußemission.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Voreinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von 50° bis 100°, vorzugsweise von 70° bis 90° in den Brennraum kegelförmig eingespritzt. Im erfindungsgemäß vorgesehenen Bereich für den Spritzlochkegelwinkel werden günstige Voraussetzungen für ein optimiertes Auftreffen der Kraftstoffstrahlen auf die vorgesehene Kolbenmulde bei gleichzeitiger Verringerung eines Kraftstoffwandauftrags, so dass eine gezielte und vorteilhafte Kraftstoffführung im Sinne der Erfindung innerhalb der Kolbenmulde erzielt wird. Vorzugsweise wird die Voreinspritzung zur Bildung des homogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 13O⁰KW bis 30⁰KW vor einem oberen Totpunkt eingespritzt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von 90° bis 140° oder 100° bis 120° in den Brennraum kegelförmig eingespritzt. Mithilfe der Kolbenmulde wird so ein angepasster CHHC-Betrieb entsprechend der erfindungsgemäßen Kraftstoffführung entlang der Kolbenmuldenkontur durchgeführt und im Hinblick auf die Abgasemissionen optimiert. Vorzugsweise wird die Haupteinspritzung zur Bildung eines heterogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 2O⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis 4O⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Nacheinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von 80° bis 140°, vorzugsweise von 80° bis 120° oder 90° bis 120° in den Brennraum kegelförmig eingespritzt. Insbesondere bei der Vornahme der Nacheinspritzung mit einem Spritzkegelwinkel von 80° bis 120° in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kolbenmulde werden die Einspritzstrahlen der Nacheinspritzung vom heißen Gasgemisch der Hauptverbrennung bzw. von der heterogenen Verbrennung erfasst. Denn die heißen Gase werden aufgrund der der Ablösungseffekte im Muldenbodenbereich in einen Bereich des Brennraumes konzentriert bzw. transportiert, in den die Kraftstoffstrahlen der Nacheinspritzung hineindringen. Dadurch wird der Verdampfungsprozess des nacheingespritzten Kraftstoffs beschleunigt.

Insbesondere wenn die Nacheinspritzung in einem Kurbelwinkel- bereich von 30⁰KW bis 150⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird, werden die nacheingespritzten Kraftstoffmengen vor Erreichen der Zylinderwand verdampft. Folglich wird eine lastabhängig optimierte Erzeugung eines unter- stöchiometrischen bzw. angereicherten Gemisches im Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine ermöglicht, das zur einer NOx- Regeneration bzw. einer Desulphatisierung von NOx-Speicher- katalysatoren, zur Onboard-Erzeugung von NH3 für die Regeneration eines SCR-Katalysators bei einer selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxidemissionen und/oder zur thermischen Regeneration eines Dieselpartikelfilters verwendet werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil der eingespritzten KraftStoffmenge zur Bildung des heterogenen Gemisches im Vergleich zu einer Gesamtkraft- stoffmenge zwischen 60% und 100% bei höheren Drehzahl- und Lastbereichen bzw. bei Volllast und zwischen 30% und 70%, oder um 50% bei niedrigen bzw. mittleren Drehzahl- und Lastbereichen. Durch die vorgesehene Kraftstoffaufteilung wird ein auf die vorgesehene Kolbenmulde angepasster CHHC- Betrieb entsprechend der erfindungsgemäßen Kraftstoffführung entlang der Kolbenmuldenkontur effizient durchgeführt und im Hinblick auf die Abgasemissionen optimiert. Demnach kann eine in etwa vollständige Umsetzung des Kraftstoffes im Muldenbereich unter Vermeidung von Rußpartikelbildung erzielt werden.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch aus, dass der Kraftstoff in den Brennraum mittels einer Einspritzdüse eingespritzt wird, die derart ausgebildet ist, dass der Kraftstoff während eines Arbeitsspiels in Form von mehreren Teilmengen in den Brennraum eingespritzt wird und die Teilmengen wahlweise mit unterschiedlichen Spritzloch- kegelwinkeln aus der Einspritzdüse austreten. Weiterhin ist vorgesehen, dass im Kolben eine Kolbenmulde angeordnet ist, die einen Muldenboden mit einer Muldentiefe aufweist, wobei sich der Muldenboden von einem Kompressionsvorsprung bis zu einem Muldenrand erstreckt. Zwischen dem Kompressionsvorsprung und dem Muldenrand sind ferner mindestens drei abgerundete Übergangsbereiche ausgebildet, wobei der erste Übergangsbereich konkav ausgebildet ist bzw. einen ersten Radius mit einem Mittelpunkt oberhalb der Muldenoberfläche aufweist, der zweite Übergangsbereich konvex ausgebildet ist bzw. einen zweiten Radius mit einem Mittelpunkt unterhalb der Muldenoberfläche aufweist und der dritte Übergangsbereich konkav ausgebildet ist bzw. einen dritten Radius mit einem Mittelpunkt oberhalb der Muldenoberfläche aufweist. Weiterhin sind die drei Übergangsbereiche ausgehend vom Kompressionsvorsprung oder von einer Kolbenmittellinie in radialer Richtung nach Außen bzw. in Richtung des Muldenrandes in einer Reihe angeordnet . Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens wird eine schnelle Kraftstoffmassenausbreitung innerhalb der Kolbenmulde hervorgerufen und somit eine rasche Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft erzielt. Eine Kraftstoff- teilchenführung in Richtung des Quetschbereiches des Kolbens wird mittels einer durch den konvex ausgebildeten zweiten Übergangsbereich hervorgerufenen Ablösung der Kraftstoff- massenströmung optimiert. Im Sinne der Erfindung ist unter dem Begriff "Ablösung" ebenfalls die Ablenkung des Kraftstoffes in den freien Raum des Kolbens zu verstehen.

Insbesondere bei der Verwendung einer variablen Einspritzdüse, die eine Einspritzung des Kraftstoffes in Form von Teilmengen mit unterschiedlichen Spritzlochkegelwinkeln aus der Einspritzdüse ermöglicht, kann eine verbesserte Kraft- Stoffablösung bzw. eine Kraftstoffablenkung von der Mulden- bodenoberflache weg ins Kolbenmuldeninnere lastpunktabhängig erzielt werden. Hierdurch ergibt sich innerhalb der Mulde eine verstärkte Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft.

Daher eignet sich die vorgesehene Brennraumkonfiguration sowohl für den Einsatz einer Einspritzdüse mit einem steilen Spritzkegelwinkel als auch für den Einsatz einer Einspritzdüse mit einem flachen Spritzkegelwinkel oder für den Einsatz einer Einspritzdüse, die wahlweise unterschiedliche Spritz- lochkegelwinkel ermöglicht.

Folglich kann durch die erfindungsgemäße Brennraumkonfiguration beispielsweise bei einem CHHC-Betrieb eine vorteilhafte Verbrennung erzielt werden, insbesondere in Kombination mit einer Einspritzdüse mit schaltbarer variabler Geometrie. Solche Einspritzdüsen, auch als Variodüsen bekannt, sind z.B. in der DE 199 16 485 C2 oder in der DE 199 22 964 C2 beschrieben. Bei solchen Variodüsen sind mehrere selektiv wählbare und frei schaltbare Spritzlochbohrungs- reihen vorgesehen. Diese Spritzlochbohrungsreihen sind unterschiedlich ausgebildet, so dass je nach Bedarf der Kraftstoff innerhalb eines Arbeitsspiels unter Freischaltung einer bestimmten frei wählbaren Spritzlochbohrungsreihe mit unterschiedlichen Spritzkegelwinkeln zu unterschiedlichen Zeitpunkten in den Brennraum eingebracht werden kann. Mit dem Einsatz einer Variodüse kann in Kombination mit der vorgesehenen Muldengeometrie eine vorteilhafte Verteilung der Verbrennungszonen erzielt werden, so dass eine optimierte Regelung des Verbrennungsablaufs innerhalb des Brennraums bei der Vornahme einer Vor- Haupt- und/oder Nacheinspritzung ermöglicht wird. Eine solche Verteilung der Verbrennungszonen kann vorzugsweise in Kombination mit einem entsprechenden Drall lastpunktsabhängig auch im Hinblick auf eine Regelung einer nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung optimiert werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie den zugehörigen Zeichnungen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Brennraumkonfiguration einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung,

Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung der Brennraumkonfiguration nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer frühen

Kraftstoffeinspritzung mit einem Spritzlochkegel- winkel von ca. 80° auf eine Kolbenmulde nach Fig. 1 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer

Haupteinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von ca. 120° auf eine Kolbenmulde nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine abgebildet, die mindestens einen Zylinder 1 und einen Zylinderkopf 2 aufweist. Innerhalb des Zylinders 1 ist ein Brennrautn 5 zwischen einem Kolben 3 und dem Zylinderkopf 2 begrenzt. Gemäß Fig. 2 ist im Zylinderkopf 2 ein Kraftstoffinjektor 6 mit einer Einspritzdüse 6a angeordnet, welche mehrere nicht dargestellte Einspritzbohrungen aufweist. Die Einsspritzdüse kann mehrere übereinander liegende Einspritzlochbohrungs- reihen aufweisen, wobei mindestens eine Reihe Spritzlochbohrungen mit einem steilen Spritzkegelwinkel zwischen ca. 70° und 90° umfasst, und eine andere Reihe Spritzlochbohrungen mit einem flachen Spritzkegelwinkel zwischen ca. 100° und 120° umfasst. Die Durchmesser der steilen Spritzlochbohrungen sind kleiner ausgebildet als die der flachen Spritzlochbohrungen, wobei die Anzahl der steilen Spritzlochbohrungen vorzugsweise kleiner ist als die Anzahl der flachen Spritzlochbohrungen.

Aus den Einspritzbohrungen treten im Betrieb mehrere Kraftstoffstrahlen 8 aus, wobei die im Brennraum 5 nahezu mittig positionierte Einspritzdüse 6a vorzugsweise zwei übereinander angeordnete selektiv wählbare Einspritz- bohrungsreihen aufweist. Der Kraftstoff wird hierdurch in einer entsprechenden Zahl von Kraftstoffstrahlen 8 direkt in den Brennraum 5 eingespritzt, so dass eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine realisiert ist. Vorzugsweise wird in den Brennraum 5 ein Dieselkraftstoff eingespritzt, so dass eine selbstzündende Verbrennung eingeleitet wird.

Eine im Kolbenboden 7 vorgesehene Kolbenmulde 4 befindet sich an der dem Zylinderkopf 2 zugewandten Seite des Kolbens 3 und ist von einer ringförmigen Muldenwand bzw. einem solchen Muldenrand 15 nach außen hin begrenzt. Der Kolben 3 weist einen Kolbendurchmesser Db auf, wobei die Kolbenmulde 4 innerhalb eines Muldenranddurchmessers Dm eingeschlossen ist. Bei einem flachen Kolbenboden 7, der gemäß Fig. 4 am Muldenrand 15 angrenzt, wird am Ende eines Kompressionstakts zwischen dem Kolbenboden 7 und dem Zylinderkopf 2 ein Quetschbereich 12 gebildet . Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist die Kolbenmulde 4 einen nahezu mittig positionierten, sich in Richtung des Zylinderkopfes 2 erstreckenden Kompressionsvorsprung 10 auf. Die Kolbenmulde 4 ist derart ausgebildet, dass eine Mittelachse des Kompressionsvorsprungs 10 vorzugsweise mit einer Zylinderachse 19 und einer Mittelachse des Kraftstoffinjektors 6 zusammenfällt. Der vorzugsweise in Form einer kegelförmigen Erhebung ausgeführte Vorsprung 10 weist einen Vorsprungskegelwinkel αh und eine abgerundete Kegelspritze auf. Die ausgebildete Erhebung 10 ist nicht auf eine kegelförmige Struktur beschränkt. Sie kann beispielsweise auch als ein kugelförmiger Vorsprung ausgebildet sein. Eine hohe Temperaturbelastung wird in der Kegelspitze dadurch vermieden. Der Abstand Ak der abgerundeten Kegelspitze vom Zylinderkopf 2 beträgt bei einer Kolbenstellung um einen oberen Totpunkt etwa 4% bis 6% des Kolbendurchmessers Db, vorzugsweise um 5%. Der KompressionsvorSprung 10 weist dabei einen Kegelwinkel αh auf, der in etwa dem des verwendeten Spritzkegelwinkels der Einspritzdüse 6a entspricht, d.h. etwa zwischen 70° und 130°, vorzugsweise um 100°.

In Fig. 3 ist eine Kolbenstellung bei etwa 5O⁰KW nach bzw. vor einem oberen Totpunkt OT dargestellt. Gemäß Fig. 3 erstreckt sich ausgehend vom Kompressionsvorsprung 10 eine Muldenkontur 11 in Richtung eines Muldenbodens 14 und dann weiter in Richtung des Muldenrandes 15. Unter dem Muldenrand 15 ist das Ende bzw. der äußerste Bereich der Kolbenmulde 4 zu verstehen. Die Kolbenbodenoberfläche 7 grenzt unmittelbar am Muldenrand 15 an. An dieser Grenze wird der maximale Muldendurchmesser Dm gemäß Fig. 2 gemessen.

Gemäß Fig. 2 ist die Einspritzdüse 6a oberhalb der Kolbenmulde 4 angeordnet. Vorzugsweise ist die Kolbenmulde 4 im Brennraum 5 der Brennkraftmaschine mittig angeordnet. Die Muldenkontur 11 weist in einem zum Kompressionsvorsprung 10 benachbarten Bereich einen abgerundeten ersten Übergangs- bereich Rl auf. Innerhalb des ersten Übergangsbereichs Rl befindet sich vorzugsweise der tiefste Punkt der Kolbenmulde 4 mit einem maximalen Abstand t vom Kolbenboden 7. Durch den vorgesehenen Abstand t bleibt für die entlang der Muldenkontur 11 geführten Kraftstoffanteile genügend Freiraum. Somit kann sich die vom Kompressionsvorsprung 10 abgelenkte bzw. geführte Kraftstoffmenge optimal verteilen. Der Transport des Kraftstoffes in Richtung des Muldenrands 15 wird durch die Ausgestaltung des Muldenbodens 14 und die Abmessung des Muldendurchmessers Dm im Vergleich zum Kolbendurchmesser Db optimiert.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Ausgestaltung des Muldenbodens 14 und/oder ein Verhältnis Dm/Db von Muldendurchmesser Dm zu Kolbendurchmesser Db vor, die zur Folge hat, dass die Bildung von kraftstoffreichen Zonen zur Unterdrückung von Rußpartikelbildung minimiert wird. Vorzugsweise beträgt der Muldendurchmesser Dm unter Berücksichtigung der nachfolgend aufgeführten Gestaltungs- kriterien etwa 75% bis 90%, vorzugsweise 83% des Kolbendurchmessers Db.

Das Gestaltungskonzept der Kolbenmulde 4 zielt darauf ab, mittels der erfindungsgemäßen Brennraumkonfiguration die in den Brennraum 5 eingebrachten Kraftstoffstrahlen 8 zumindest teilweise entlang der Muldenbodenkontur 11 zwischen dem Kompressionsvorsprung 10 und dem Muldenrand 15 derart zu führen, dass genügend Kraftstoffanteile durch einen Ablösungsvorsprung 16, insbesondere in Form eines Steigungswechsels oder eines konvex ausgestalteten Bereichs im Muldenboden 14 von einer Muldenbodenoberflache abgelöst werden. Der hierfür vorgesehene Absprungs- bzw. Ablösungs- bereich liegt in einem Muldenbodenabschnitt, der einen Abstand A zur Zylinderachse 19 aufweist, welcher etwa 30% bis 70%, insbesondere um 50% des Kolbenradius beträgt. Somit wird ein eingespritzter Kraftstoffstrahl 8 entlang der erfindungsgemäßen Muldenbodenkontur 11 geführt und rechtzeitig von der Muldenbodenoberflache abgelöst. Gleichzeitig werden hierdurch die abgelösten Kraftstoffanteile intensiv mit der verdichteten Verbrennungsluft vermischt und die Lage der Verbrennungszone in einen äußeren freien Bereich der Kolbenmulde 4 bzw. des Brennraums 5 verlagert, in dem sich die größeren Volumenanteile befinden. Das resultiert in eine rußpartikelarme Verbrennung. In Fig. 4 ist eine Kolbenstellung bei etwa 1O⁰KW vor bzw. nach dem oberen Totpunkt OT dargestellt. Mit Hilfe der vorliegenden Brennraumkonfiguration wird eine mögliche Entstehung von kraftstoffreichen Zonen innerhalb der Kolbenmulde 4 vermieden. Infolgedessen findet die selbstzündende Verbrennung mit einer intensiven Rußpartikelnachoxidation statt. Dies ist insbesondere bei Betriebspunkten mit großen Kraftstoffmassen, beispielsweise im Volllastbetrieb von großer Bedeutung und vorteilhaft, da hierdurch beim Betrieb der Brennkraftmaschine in oberen Drehzahl- und Lastbereichen eine besonders rußpartikelfreie Verbrennung ermöglicht wird.

Ausgehend vom Kompressionsvorsprung 10 schließt sich in radialer Richtung daran der erste Übergangsbereich Rl an, so dass ein stetiger Übergang in eine flach nach außen ansteigende Muldenkontur 11 ausgebildet ist. Der Scheitelpunkt beim ersten abgerundeten Übergangsbereich Rl stellt den tiefsten Punkt der Kolbenmulde 4 dar. Dabei beträgt der Abstand t zwischen 10% und 20%, vorzugsweise um 14% des Brennraumdurchmessers Db. Der erste Übergangsbereich Rl weist einen Radius von etwa 8% bis 15%, vorzugsweise um 11% des Brennraumdurchmessers Db auf. Durch die Positionierung des kegelförmigen Kompressionsvorsprungs 10 im zentralen Bereich der Mulde 4 wird eine vorteilhafte Umlenkung der Kraftstoffstrahlen 8 entlang der Muldenkontur 11 erzielt. Außerdem wird eine Reduktion des Volumens in einem Bereich erzielt, der unzureichend von den Verbrennungszonen erfasst wird. Um einen möglichst parallelen Einspritzverlauf zum Vorsprungsverlauf zu vermeiden, ist vorzugsweise der Vorsprungskegelwinkel αh um ca. 10° größer oder kleiner als der Kegelwinkel ß, wenn der Kegelwinkel ß steil ist oder z.B. ca. 90° beträgt. Die Ausgestaltung des Kompressionsvorsprungs 10 führt demnach zu einer Vermeidung eines frühen Ansaugens der Kraftstoffstrahlen 8, bekannt als Walljet-Effekt. Die sich an den Übergangsbereich Rl nach außen hin anschließende, vorzugsweise flach ansteigende Kontur stellt einen Mulden- bodeninnenbereich 17 in Form einer Oberfläche eines ersten Kegels Kl bzw. eines trichterförmigen Abschnitts dar, der einen Winkel αkl zwischen ca. 130° und 160°, vorzugsweise um 145° aufweist.

Bei etwa der Hälfte des Kolbendurchmessers Db ist ein zweiter Übergangsbereich R2 angeordnet, der von der ansteigenden Muldenkontur 11 mit einem Radius zwischen etwa 5% und 15%, vorzugsweise ca. 8% des Kolbendurchmessers Db in einen im Vergleich zum Muldenbodeninnenbereich 17 flacheren Mulden- bodenaußenbereich 18 übergeht. Diese Zone stellt ebenfalls einen kurzen Abschnitt einer Oberfläche eines zweiten Kegels K2 dar, der einen Winkel αk2 zwischen ca. 140° und 180° vorzugsweise ca. 170° aufweist.

Der zweite Übergangsbereich R2 wirkt als ein kleiner Höcker 16 bzw. als eine Absprungskante. Nach außen hin folgt dann ein dritter in Richtung des Zylinderkopfs 2 abgerundeter Übergangsbereich R3 mit einem Radius von etwa 4% bis 10%, vorzugsweise um 7% des Kolbendurchmessers Db. Die flache kegelförmige Zone zwischen dem zweiten Übergangsbereich R2 und dem dritten Übergangsbereich R3 kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung derart verkürzt werden, so dass die Übergangsbereiche R2 und R3 ineinander übergehen bzw. mit einer gemeinsamen Tangente verbunden werden.

Der dritte Übergangsbereich R3 geht wiederum in den steil ansteigenden Muldenrand 15 über. Der Muldenrandbereich stellt wiederum einen Abschnitt einer Oberfläche eines dritten Kegels K3 dar, der einen Winkel αk3 von ca. 30° bis 100° vorzugsweise ca. 60° aufweist. Alternativ ist der Muldenrand 15 in etwa parallel zur Zylinderachse 19 ausgebildet.

Der Muldenrand 15 geht in einen vierten abgerundeten Übergangsbereich R4 über, der am ebenen Kolbenboden 7 im Bereich des Quetschbereichs 12 angrenzt. Der vierte Übergangsbereich R4 weist einen Radius zwischen etwa 1% und 10%, vorzugsweise ca. 3% des Kolbendurchmessers Db auf. Bei einem steilen Verlauf vom Muldenrand 15 und bei kleinen Radien am vierten Übergangsbereich R4 bildet sich radial außerhalb des Übergangs eine Rezirkulationszone aus. Die vom Muldenrand 15 umgelenkten bzw. geführten Kraftstoffstrahlen 8 treten somit verstärkt aus der Mulde 4 in Richtung des Quetschbereichs 12 bzw. Quetschspaltes heraus. Ein etwas steilerer Anstieg des Muldenrands 15 im äußeren Bereich, d.h. beim Übergang zum Kolbenboden 7, führt zu einer verstärkten Umlenkung der an der Muldenkontur 11 gleitenden Kraftstoffstrahlen 8 nach oben in Richtung des Zylinderkopfs 2, insbesondere bei größeren Einspritzmengen beispielsweise in einem heterogenen Betrieb. Somit wird ein Auftreffen des Kraftstoffes an der Zylinderwand bei späteren Einspritzzeitpunkten vermieden, insbesondere wenn der Kolben 3 schon weiter unterhalb des Zylinderkopfes 2 steht.

Die vorliegende Brennraumkonfiguration eignet sich insbesondere für einen CHHC-Betrieb, bei dem ein Teil des Kraftstoffes in Form einer Voreinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel ß von ca. 70° bis 90° in den Brennraum kegelförmig eingespritzt wird. Diese Voreinspritzung findet unter Freischaltung bzw. einer Inbetriebnahme einer Spritz- lochbohrungsreihe mit dem steilen Spritzkegelwinkel in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 130⁰KW und 30⁰KW vor einem oberen Totpunkt statt. Danach wird eine weitere Kraftstoffstoffmenge als eine Haupteinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel ß zwischen 100° und 120°in den Brennraum eingebracht. Die Haupteinspritzung findet unter Inbetriebnahme einer weiteren Spritz- lochbohrungsreihe mit dem flachen Spritzkegelwinkel in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 2O⁰KW vor dem oberen Totpunkt und 40⁰KW nach dem oberen Totpunkt statt. Beim CHHC-Betrieb wird der Anteil der homogen sowie der heterogen eingespritzten KraftStoffmenge lastabhängig angepasst.

Für die homogene Gemischbildungsphase gelangt der Kraftstoffstrahl gemäß Fig. 3 im Wesentlichen in die Mulde. Vorteilhaft ist dabei, dass ein Kraftstoffauftrag auf die Zylinderwand vermieden wird und eine große freie Länge der Einspritzstrahlen 8 eingestellt werden kann. Aufgrund der offenen Form der Mulde kann sich dabei die Gemischzone auch nach außen bewegen, so dass die Konzentration in einem begrenzten Teilvolumen des Brennraumes vermieden wird. Der angedeutete Höcker 16 gemäß Fig. 3 unterstützt die Gemischverteilung in einer späten Phase der Homogenisierung.

Für die nachfolgende heterogene Verbrennungsphase wird der Kraftstoff vorzugsweise sowohl im Fall der Teillast als auch bei Volllast mit flacherem Spritzkegelwinkel ßzwischen ca. 120° und 130° gemäß Fig. 4 eingespritzt. Bei der heterogenen Verbrennungsphase ergeben sich dabei eine gute Brennraumerfassung und somit eine optimierte und eine nahezu vollständige Verbrennung der Haupteinspritzung mit geringer Rußemission.

Im Fall eines rein heterogenen Betriebes wird der Kraftstoff als eine Haupteinspritzung beispielsweise bei Volllast mit heterogener Gemischbildung ebenfalls in einem Intervall von ca. 20⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis ca. 40° nach den oberen Totpunkt. Wird der Kraftstoff mit einem flachen Spritzkegel- winkel ß von ca. 120° eingespritzt, dann ergeben sich ebenfalls eine zweckdienliche Brennraumerfassung und eine nahezu vollständige Heterogenverbrennung mit geringer Rußemission.

Wird die Anzahl der Spritzlochbohrungen mit einem steilen Spritzkegelwinkel ß kleiner gewählt als die Anzahl der Spritzlochbohrungen mit dem steilen Spritzkegelwinkel ß, dann ergeben sich unterschiedliche hydraulische Durchflüsse, d.h., unterschiedliche HD-Werte für die jeweilige Reihe. Vorzugsweise wird der HD-Wert der Reihe für die Voreinspritzung kleiner gewählt als der HD-Wert der Spritzlochbohrungen für die Haupteinspritzung bzw. für die Heterogenverbrennung.

Die vorgesehene Brennraumkonfiguration eignet sich ferner für die Vornahme einer Nacheinspritzung, die vorzugsweise mit einem Spritzlochkegelwinkel ß zwischen 80° und 140° oder zwischen 80° und 120° in den Brennraum kegelförmig eingespritzt wird. Wird die Nacheinspritzung beispielsweise in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 3O⁰KW und 15O⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt, dann kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Regeneration eines nachgeschalteten NOx-Speicher-Katalysators eingeleitet werden. Die nacheingespritzten Kraftstoffstrahlen werden durch die vorgeschlagene Brennraumkonfiguration in Verbindung mit der vorgesehenen Einspritzstrategie vor Erreichen der Zylinderwand verdampft.

Die Nacheinspritzung wird zur Erhöhung der Kraftstoffanteile im Abgas vorgenommen, so dass ein unterstöchiometrisches bzw. ein angereichertes Abgas erzeugt wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Nacheinspritzung zur Onboard-Erzeugung von NH3 dienen, um einen SCR- Katalysator zu regenerieren. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Nacheinspritzung ebenfalls dazu dienen, einen nachgeschalteten Partikelfilter durch Anhebung der Abgastemperatur zu regenerieren, wobei die oben genannten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können. Vorzugsweise wird bei der Nacheinspritzung mindestens eine Spritzlochbohrungsreihe mit einem Spritzlochkegelwinkel ß zwischen 80° und 140° gewählt, so dass in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kolbenmulde 4 und einem niedrigen Drall, vorzugsweise mit einer Drallziffer unter eins, eine optimale Verdampfung der nacheingespritzten Kraftstoffmengen stattfindet. Im Sinne der Erfindung ist mit niedrigem Drall eine Drallziffer nach Tippelmann gemeint, die kleiner als eines ist. Dementsprechend gelangt durch den im Muldenboden 14 angeordneten Höcker 16 die heiße Gemischwolke der Hauptverbrennung bzw. der heterogenen Verbrennung aufgrund einer turbulenten Strömung im Quetschbereiches 12 in die Umgebung des Zylinderkopf 2, so dass das heiße Verbrennungsgas zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung in einer bestmöglichen Position relativ zur Strahlachse der nacheingespritzten Kraftstoffmenge verweilt.

Ferner kann die nacheingespritzte Kraftstoffmenge vorzugsweise mittels einer Blockeinspritzung im Expansionshub in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 30⁰KW und 15O⁰KW nach dem oberen Totpunkt vorgenommen werden, wobei alternativ die Nacheinspritzung in Form einer zwei- bis siebenfachen getakteten Einspritzung in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 30° KW und 150° KW nach dem oberen Totpunkt vorgenommen werden kann. Dabei kann die Taktdauer während der Nacheinspritzung variiert werden, so dass die Kraftstoffteilmengen der Nacheinspritzung unterschiedlich bemessen werden. Vorzugsweise nimmt die Taktdauer der einzeln nacheingespritzten Teilmengen der Nacheinspritzung mit steigender Taktzahl ab, falls der Einspritzdruck nach der Haupteinspritzung abnimmt. Alternativ kann bei einer konstanten Taktdauer der Einspritzdruck auf ein geringeres Niveau als bei der Haupteinspritzung gesenkt werden. Zur Vermeidung eines Anstiegs einer eventuell während der Nacheinspritzung gebildeten Rußpartikelemission kann wahlweise gemäß der Erfindung der erste Nacheinspritztakt gegenüber dem darauf folgenden Nacheinspritztakt bezüglich der Einspritzmenge reduziert werden, wobei dann die weiteren Nacheinspritztakte mit kontinuierlich abnehmender Kraftstoffmenge durchgeführt werden.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (1) , in dem ein Brennraum (5) zwischen einem Kolben (3) und einem Zylinderkopf (2) begrenzt ist, einem im Zylinderkopf (2) angeordneten Kraftstoffinjektor (6) und einer im Kolben (3) angeordneten Kolbenmulde (4) , wobei

- Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse (6a) in den Brennraum (5) während eines Arbeitsspiels in Form von mehreren Teilmengen als Vor-, Haupt-, und/oder Nacheinspritzung eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Kraftstoff beim Auftreffen auf die Kolbenmulde (4) zumindest teilweise entlang einer Muldenboden- kontur (11) zwischen einem Kompressionsvorsprung

(10) und einem Muldenrand (15) geführt wird, und

- die entlang der Muldenbodenkontur (11) geführten Kraftstoffanteile durch einen Steigungswechsel (16) im Muldenboden (14) oder durch einen konvex ausgestalteten Bereich (R2) im Muldenboden (14) mindestens teilweise von einer Muldenbodenoberflache abgelöst oder abgelenkt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- Haupt- und/oder Nacheinspritzung wahlweise mit einem unterschiedlichen Spritzlochkegelwinkel (ß) in den Brennraum (5) kegelförmig eingespritzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel (ß) von 50° bis 100° oder 70° bis 90° in den Brennraum (5) kegelförmig eingespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel {ß) von 90° bis 140° oder 100° bis 120° in den Brennraum (5) kegelförmig eingespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel (/?) von 80° bis 140° oder 90° bis 120° in den Brennraum (5) kegelförmig eingespritzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung zur Bildung eines homogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 130⁰KW bis 30⁰KW vor einem oberen Totpunkt eingespritzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung zur Bildung eines heterogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 20⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis 40⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung in einem Kurbelwinkelbereich von 30⁰KW bis 15O⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der eingespritzten KraftStoffmenge zur Bildung eines heterogenen Gemisches im Vergleich zu einer Gesamtkraftstoffmenge zwischen 60% und 100% bei höheren Drehzahl- und Lastbereichen sowie bei VoIHast und zwischen 30% und 70% bei niedrigen bzw. mittleren Drehzahl- und Lastbereichen beträgt.

10. Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit

- mindestens einem Zylinder (1) , in dem ein Brennraum

(5) zwischen einem Kolben (3) und einem Zylinderkopf (2) begrenzt ist,

- einer Einspritzdüse, die derart ausgebildet ist, dass der Kraftstoff während eines Arbeitsspiels in Form von mehreren Teilmengen in den Brennraum eingespritzt wird und die Teilmengen wahlweise mit unterschiedlichen Spritzlochkegelwinkeln aus der Einspritzdüse austreten, und

- einer im Kolben angeordneten Kolbenmulde (4) , die einen Muldenboden (14) mit einer Muldentiefe (t) aufweist, wobei sich der Muldenboden (14) von einem Kompressionsvorsprung (10) bis zu einem Muldenrand (15) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass

- zwischen dem Kompressionsvorsprung (10) und dem Muldenrand (15) mindestens drei abgerundete Übergangsbereiche ausgebildet sind, wobei

- der erste Übergangsbereich (Rl) konkav ausgebildet ist bzw. einen ersten Radius mit einem Mittelpunkt oberhalb der Muldenoberfläche aufweist,

- der zweite Übergangsbereich (R2) konvex ausgebildet ist bzw. einen zweiten Radius mit einem Mittelpunkt unterhalb der Muldenoberfläche aufweist und der dritte Übergangsbereich (R3) konkav ausgebildet ist bzw. einen dritten Radius mit einem Mittelpunkt oberhalb der Muldenoberfläche aufweist, und wobei die drei Übergangsbereiche ausgehend vom Kompressionsvorsprung (10) oder von einer Kolbenmittellinie (19) in radialer Richtung nach Außen bzw. in Richtung des Muldenrandes (15) in einer Reihe angeordnet sind.