WO2006058640A1

WO2006058640A1 - Brennraum einer selbstzündenden brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2006058640A1
Application number: PCT/EP2005/012517
Authority: WO
Inventors: Gerhard König; Alois Raab
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 2004-12-04
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2006-06-08
Also published as: DE102005051740A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dieselbrennkraftmaschine 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), die einen Muldenboden (14) mit einer maximalen Muldentiefe (t) aufweist, wobei sich der Muldenboden (4) von einem Kompressionsvorsprung (10) bis zu einem Muldenrand (15) erstreckt, Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse (6a) kegelförmig in den Brennraum (5) eingespritzt wird, der Kraftstoff beim Auftreffen auf die Kolbenmulde (4) zumindest teilweise entlang einer Muldenbodenkontur (11) zwischen dem Kompressionsvorsprung (10) und dem Muldenrand (15) geführt wird, und wobei 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 werden.

Description

Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine

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 8.

Bei bekannten 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 Einspritzstrahlen 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.

Es werden bekanntlich zur Optimierung einer Dieselverbrennung unterschiedliche Kolbenmuldenformen eingesetzt, 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 aus "Combined Homogeneous Heterogeneous Combustion" herstammt. 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 wird. 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 Lastbereichen 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 sind. Diese wird erfindungsgemäß jeweils durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst .

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 dadurch aus, dass Kraftstoff mittels der Einspritzdüse kegelförmig in den Brennraum eingespritzt wird, und der Kraftstoff beim Auftreffen auf die Kolbenmulde zumindest teilweise entlang einer Muldenbodenkontur zwischen dem Kompressionsvorsprung und dem Muldenrand geführt wird, wobei die entlang der Muldenbodenkontur geführten Kraftstoffanteile durch einen Steigungswechsel im Muldenboden oder durch einen konvex ausgestalteten Bereich im Muldenboden mindestens teilweise von einer Muldenbodenoberflache abgelöst werden.

Die durch den Steigungswechsel bzw. durch den konvex ausgebildeten Abschnitt im Muldenboden erzielten Ablösungseffekte ermöglichen eine gezielte Vorwärtsbewegung der Kraftstofftröpfchen 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 überraschenderweise mit einer einfachen Maßnahme eine optimierte Führung des eingespritzten Kraftstoffes innerhalb der Kolbenmulde im Hinblick auf die Kraftstoffverteilung im vorhandenen Kolbenmuldenvolumen herbeigeführt . Weiterhin wird eine intensive Vermischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft vor und/oder während der Verbrennung erzielt. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen konvexen Bereich innerhalb des Muldenbodens kommt eine angepasste Oberfläche des Muldeninneren zustande, mit der durch die Ablösungseffekte im Muldenbodenbereich eine Kraftstoff- anreicherung 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 wird der Kraftstoff mit einem Spitzlochkegelwinkel von 70° bis 130° oder 85° bis 120°, insbesondere mit einem Kegelwinkel von ca. 90° in den Brennraum eingespritzt. Im erfindungsgemäß vorgesehenen Bereich des Spritzlochkegelwinkels werden günstige Voraussetzungen für optimiertes Auftreffen der Kraftstoff- strahlen auf die vorgesehene Kolbenmulde geschaffen. Folglich wird eine gezielte und vorteilhafte Kraftstoffführung im Sinne der Erfindung innerhalb der Kolbenmulde erzielt .

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein erster Teil des Kraftstoffes zur Bildung eines homogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 13O⁰KW bis 30°KW vor einem oberen Totpunkt eingespritzt, wobei ein weiterer Teil des Kraftstoffes zur Bildung eines heterogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 2O⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis 4O⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird. Dadurch wird ein kombiniertes Homogen-Heterogen-Brennverfahren ausgeführt, mit dem eine russfreie selbstzündende Verbrennung mit verminderten NOx-Emissionen ermöglicht wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil der eingespritzten Kraftstoffmenge zur Bildung des heterogenen Gemisches im Vergleich zu einer Gesamtkraftstoffmenge 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 mittels der erfindungsgemäßen Kraftstoffaufteilung annähernd ein vollständiger Ausbrand bzw. eine nahezu hundertprozentige Umsetzung des Kraftstoffes im Muldenbereich unter Vermeidung von Russpartikelbildung erzielt werden.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch aus, dass zwischen dem Kompressionsvorsprung und dem Muldenrand mindestens drei abgerundete Übergangsbereiche ausgebildet sind, 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, und wobei die drei Übergangsbereiche ausgehend vom Kompressionsvorsprung oder von einer Kolbenmittellinie in radialer Richtung nach außen bzw. in Richtung des Muldenrandes in einer Reihe angeordnet sind.

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- massenströtnung optimiert. Im Sinne der Erfindung ist unter dem Begriff "Ablösung" ebenfalls die Ablenkung des Kraftstoffes in den freien Raum des Kolbens zu verstehen.

Eine überdurchschnittliche Kraftstoffablösung bzw. eine Kraftstoffablenkung von der Muldenbodenoberflache weg ins Kolbenmuldeninnere wird ermöglicht, so dass sich eine beachtliche Vermischung mit der Verbrennungsluft innerhalb der Mulde ergibt. Es wird somit eine Bildung kraftstoff- reicher Zonen an kritischen Stellen im Brennraum, beispielsweise innerhalb der Kolbenmulde, auf ein Minimum reduziert.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Übergangsbereich benachbart zum Kompressionsvorsprung, der zweite Übergangsbereich in einem mittleren Teil des Muldenbodens und/oder der dritte Übergangsbereich benachbart zum Muldenrand angeordnet . Durch die vorgesehene Anordnung der abgerundeten Bereiche wird eine auf den CHHC-Betrieb sowie auf einen rein Heterogenbetrieb besonders gut abgestimmte Kraftstoffführung bewirkt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Muldenboden zwischen dem ersten Übergangsbereich und dem zweiten Übergangsbereich einen Muldenbodeninnenbereich und zwischen dem zweiten Übergangsbereich und dem dritten Übergangsbereich einen Muldenbodenaußenbereich auf, wobei der Muldenbodenaußenbereich flacher als der Muldenbodeninnenbereich ausgebildet ist. Durch einen im Muldenboden eingebauten Steigungswechsel wird bei den entlang der Muldenbodenoberflache geführten Kraftstoffanteilen ein Ablδse- vorgang bewirkt. Es wird somit eine rechtzeitige Ablenkung des geführten Kraftstoffes herbeigeführt . Infolgedessen kann ein effektiver Weitertransport der abgelösten Kraftstoffanteile in Richtung des äußeren Bereichs des Brennraums bzw. des Quetschbereichs des Kolbens bewerkstelligt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Muldenbodeninnenbereich mindestens einen trichterförmigen Abschnitt, der mit der Kolbenmittellinie einen Winkel von 65° bis 80°, insbesondere einen Winkel von 70° bis 73°, einschließt.

Die vorgesehene Ausgestaltung der Kolbenmulde bewirkt eine hohe Beschleunigung der Kraftstoffanteile entlang der Muldenbodenoberflache und daher intensivere Ablösungs- sowie Ablenkungseffekte. Das führt vor allem zu einer rechtzeitigen und nahezu vollständigen Kraftstoffverbrennung, so dass eine Reduktion des Russpartikeleintrags ins Schmieröl erreicht wird. Denn durch die gezielte Kraftstoffführung wird ein direktes Auftreffen von brennenden Kraftstoffstrahlen auf die Zylinderwand vermieden. Somit werden russpartikelbeladene Verbrennungszonen nahe der Zylinderwand minimiert und dadurch ein Russpartikeleintrag ins Schmieröl abgewendet. Weiterhin wird die thermische Belastung des Kolbenmaterials durch die erzielte Ablenkung der brennenden Kraftstoffstrahlen von der Kolbenmuldenoberfläche weg ins Muldeninnere bedeutend verringert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Muldenbodenaußenbereich einen Abschnitt mit einer Tangente, die mit der Kobenmittellinie einen Winkel von 80° bis 90° , insbesondere einen Winkel 84° bis 86°, oder um 85° einschließt. Hierdurch wird der Ablösevorgang des Kraftstoffes von der Muldenbodenoberflache begünstigt und der Weitertransport der abgelenkten Kraftstoffanteile in Richtung des Quetschbereichs des Kolbens optimiert. Aufgrund der vorgesehenen Muldengeometrie wird eine vorteilhafte Verteilung der Verbrennungszonen erzielt, die insbesondere eine leichte Quetschströmung entstehen lässt, so dass das Ablöseverhalten, vorzugsweise in Kombination mit einem angepassten Drall, ferner verstärkt wird. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Muldenrand und dem Kolbenboden mindestens ein vierter abgerundeter Übergangsbereich konvex ausgebildet, wobei der Übergangsbereich einen Radius mit einem Mittelpunkt unterhalb des Kolbenbodens aufweist. Die Weiterführung der Kraftstoffanteile in Richtung des Quetschbereichs wird hierdurch weiter verbessert. Vorzugsweise umfasst der Muldenrandbereich mindestens einen Abschnitt mit einer Tangente, die mit der Kobenmittellinie einen Winkel von 15° bis 50°, insbesondere einen Winkel von 25° bis 35°, einschließt. Demzufolge wird ein Weitertransport der insbesondere von der Kolbenmuldenbodenoberflache abgelösten Anteile in Richtung des Quetschbereiches des Kolbens derart optimiert, dass ein Russpartikeleintrag ins Schmieröl verhindert wird. Somit wird im Muldenrandbereich eine Kraftstoffanreicherung bzw. die Bildung von kraftstoffreichen Zonen verhindert .

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Muldenrand ringförmig ausgebildet und weist einen maximalen Muldendurchmesser auf, wobei ein Verhältnis von maximalem Muldendurchmesser zu Kolbendurchmesser in einem Bereich zwischen 0,75 und 0,95, insbesondere zwischen 0,8 und 0,85, liegt. Durch das vorgesehene Verhältnis wird eine Abstimmung des Muldendurchmessers auf den Kolbendurchmesser geschaffen, bei der eine im Hinblick auf minimierte Partikelbildung angepasste Interaktion zwischen dem Muldenkonturverlauf, einem Muldenvolumen und der aus der Einspritzdüse austretenden Kraftstoffmasse innerhalb der Kolbenmulde hervorgerufen wird. Dadurch wird ebenfalls eine vorteilhafte Verteilung der Verbrennungszonen erzielt, unterstützt durch eine leichte Quetschströmung, so dass die Ablösungseffekte, vorzugsweise in Kombination mit einem angepassten Drall, ferner gesteigert werden.

Unter dem Muldenvolumen wird ein Volumen verstanden, das bei einem flachen Kolbenboden von einer Volumenebene und der Muldenoberfläche umfasst ist. Die Volumenebene ist mit dem Kolbenboden als eine deckungsgleiche horizontale Fläche abgebildet. Dennoch kann diese Ebene je nach Verlauf des Muldenrandes oberhalb des Kolbenbodens bzw. unterhalb des Kolbenbodens liegen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt ein Verhältnis von maximaler Muldentiefe zu Kolbendurchmesser in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,2, insbesondere zwischen 0,12 und 0,16. Durch das vorgesehene Verhältnis kommt eine Brennraumkonfiguration zustande, mit der eine vorteilhafte Kraftstoffführung im Hinblick auf die Muldentiefe und die aus der Einspritzdüse austretenden Kraftstoffteilchen innerhalb der Kolbenmulde erzielt wird.

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 erfindungsgemäßen 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. 90° auf eine Kolbenmulde nach Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer

Haupteinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von ca. 90° auf eine Kolbenmulde nach Fig. 1 im Teillastbereich,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer

Haupteinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von ca. 90° auf eine Kolbenmulde nach Fig. 1 im Volllastbereich, Fig. 6 eine schematische Darstellung von Kraftstoffstrahlen einer 6-Locheinspritzdüse innerhalb der Kolbenmulde nach Fig. 1,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer frühen Kraftstoffeinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von ca. 120° auf eine Kolbenmulde nach Fig. 1,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer späten

Kraftstoffeinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von ca. 120° auf eine Kolbenmulde nach Fig. 1 im Teillastbereich,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Interaktion zwischen einer Quetschströmung und einer Drall- Strömung bei mäßigem bis hohem Drall innerhalb einer Kolbenmulde nach Fig. 1,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Interaktion zwischen einer Quetschströmung und einer Drall- Strömung bei niedrigem Drall innerhalb einer Kolbenmulde nach Fig. 1,

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Verlaufs von abgelenkten brennenden Kraftstoffstrahlen mit einem Spritzlochkegelwinkel von ca. 90° bei reinem Heterogenbetrieb innerhalb einer Kolbenmulde nach Fig. 1,

Fig. 12a eine schematische Darstellung eines Verlaufs von einer Haupteinspritzung bei reinem Heterogenbetrieb innerhalb einer Kolbenmulde nach Fig. 1,

Fig. 12b eine schematische Darstellung eines Verlaufs von einer nach der Haupteinspritzung vorgenommenen Nacheinspritzung bei reinem Heterogenbetrieb innerhalb einer Kolbenmulde nach Fig. 1, und

Fig. 12c eine schematische Darstellung von Verläufen einer brennenden Haupt- und Nacheinspritzung bei reinem Heterogenbetrieb innerhalb einer 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 Brennraum 5 zwischen einem Kolben 3 und dem Zylinderkopf 2 begrenzt. Im Zylinderkopf 2 ist ein Kraftstoffinjektor 6 mit einer Einspritzdüse 6a gemäß Fig. 2 angeordnet, welche mehrere nicht dargestellte Einspritzbohrungen aufweist. Aus den Einspritzbohrungen treten mehrere Kraftstoffstrahlen 8 aus, wobei die Einspritzdüse 6a vorzugsweise zwei übereinander angeordnete selektiv wählbare Einspritzbohrungsreihen 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. Ein zwischen den Kraftstoffstrahlen gebildeter Spritzlochkegel 9 mit einem Kegelwinkel ß liegt in einem Bereich zwischen 50° und 160° oder 70° und 130°, insbesondere bei etwa 90°.

Eine im Kolbenboden 7 vorgesehene Kolbenmulde 4 befindet sich an der dem Zylinderkopf 2 zugewandten Seite des Kolbens 3 und ist von einem ringförmigen Muldenwand bzw. 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. 2 an den 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 Kraftstoff- injektors 6 zusammenfällt. Der vorzugsweise in Form einer kegelförmigen Erhebung ausgeführte Vorsprung 10 weist einen Vorsprungskegelwinkel och und eine abgerundete Kegelspritze auf. Die ausgebildete Erhebung 10 ist nicht auf eine kegelförmige Struktur beschränkt. Sie kann auch anders, beispielsweise als ein kugelförmiger Vorsprung ausgebildet sein. Eine hohe Temperaturbelastung wird in der Kegelspitze dadurch vermieden. Der Abstand Ak der abgerundeten Kegel- spitze 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 70° bis 130°, vorzugsweise um 100°.

Vorzugsweise ist der Vorsprungskegelwinkel αh um ca. 10° größer oder kleiner als der Kegelwinkel ß, wenn der Kegel- winkel jß steil ist oder z.B. ca. 90° beträgt, um einen möglichst parallelen Einspritzverlauf zum Vorsprungsverlauf zu vermeiden.

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 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 bestimmt.

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 Steigungs- wechsels 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 eine gemäß Fig. 4 gebildete Kraftstoffwölke 13 bzw. ein Kraftstoff/Luft-Gemisch entlang der erfindungsgemäßen Muldenbodenkontur 11 geführt, 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 10⁰KW 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 gemäß Fig. 4 statt. Dies ist insbesondere bei Betriebspunkten mit großen Kraftstoffmassen, beispielsweise im Vollastbetrieb von großer Bedeutung und vorteilhaft, da hierdurch beim Betrieb der Brennkraftmaschine in oberen Drehzahl- und Lastbereichen eine besonders russpartikelfreie Verbrennung gemäß Fig. 5 bzw. Fig. 11 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 ohnehin nur unzureichend von den Verbrennungszonen erfasst wird.

Die Ausgestaltung des Kompressionsvorsprungs 10 führt demnach zu einer Vermeidung eines frühen Ansaugens der Kraftstoff- strahlen 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 von ca. 130° bis 160°, vorzugsweise ca. 145° aufweist.

Bei etwa der Hälfte des Kolbendurchmessers Db ist ein zweiter Übergangsbereich R2 angeordnet, der von der ansteigenden Muldenkontur 11 mit einem Radius von etwa 5% bis 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 von ca. 140° bis 180° vorzugsweise ca. 170° aufweist.

Der zweite Übergangsbereich R2 wirkt als ein kleiner Höcker 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 von etwa 1% bis 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.

Hierdurch wird ein direktes Auftreffen der brennenden Kraftstoffstrahlen 8 gemäß Fig. 11 auf die Zylinderwand Ia verhindert. Die Ablösungseffekte führen bzw. lenken die Kraftstoffwölke 13 bzw. die Verbrennungsgaswolke 13a hin zum Zylinderkopf 2 ab. In Fig. 12a bis 12c ist die Auswirkung der Umlenkung deutlich zu beobachten. Es werden keine brennenden Strahlanteile in den für die Verbrennung unvorteilhaften Quetschbereich 12 bzw. in einen Feuersteg 3a hineingedrückt. Demnach eignet sich die vorliegende Kolbenmulde 4 ebenfalls für eine konventionelle bzw. rein heterogene Diesel- Verbrennung, bei der vorzugsweise die Gesamtkraftstoffmenge in einen ersten Anteil einer Haupteinspritzung HE und einen zweiten Anteil der Haupteinspritzung HE als angelagerte Nacheinspritzung NE aufgeteilt wird, wobei der zweite Anteil bzw. die Nacheinspritzung NE unmittelbar nach Beendigung des ersten Anteils der Haupteinspritzung HE in den Brennraum 5 gemäß Fig. 12b eingebracht wird. Eine Unterbrechung des Einspritzvorgangs zwischen der Haupteinspritzung HE und Nacheinspritzung NE findet dementsprechend statt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung führt ein flacher Mulden- randwinkel αk.3 dazu, dass die vom Muldenrand 15 umgelenkten Kraftstoffstrahlen ebenfalls flacher aus der Mulde 4 austreten. Die Wahl des Radius des vierten Übergangsbereichs R4 und der Muldenrandwinkel αk3 hängt von den eingestellten bzw. gewählten Spritzlochkegelwinkeln ß der Einspritzdüse und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkten ab. Demnach ist vorzugsweise bei Verwendung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit hohen Einspritzdrücken die Ausgestaltung der Muldekontur 11 so zu wählen, dass der kegelförmige Abschnitt K2 über den dritten Übergangsbereich R3 in den kegelförmigen Abschnitt K3 übergeht. Alternativ ist die Muldenkontur 11 derart ausgebildet, dass die kegelförmigen Abschnitte Kl, K2, K3 durch gekrümmte Oberflächen mit jeweils großen Krümmungsradien bzw. freier Kontur ersetzt werden.

Die erfindungsgemäße Kolbenmuldenkonfiguration eignet sich sowohl für eine kombinierte homogene/heterogene Betriebsweise, bekannt als CHHC-Betrieb, einer Dieselbrennkraft- maschine als auch für eine rein heterogene bzw. konventionelle Betriebsweise. Eine reine homogene Betriebsweise ist ebenfalls möglich. Der Einsatz einer Einspritzdüse 6a mit insbesondere einem steilen Spritzloch- kegelwinkel ß von etwa 80° bis 90° wirkt sich auf die vorgeschlagene Kolbenmuldenkonfiguration vorteilhaft aus, da die Kolbenmuldengestaltung relativ unempfindlich bezüglich einer solchen Einspritzdüse 6a ist. Demnach eignet sich die erfindungsgemäße Kolbenmulde 4 sowohl für den Einsatz einer Einspritzdüse 6a mit einem steilen Spritzlochkegelwinkel /3 von 80° bis 90° als auch für den Einsatz von Einspritzdüsen 6a mit einem etwas flacheren Spritzlochkegelwinkel ß, z.B. um 120°. Insbesondere wirkt sich die Verwendung einer Einspritzdüse 6a mit einem steilen Spritzlochkegelwinkel /3 von etwa 90° bei den unterschiedlichen Lastfällen während einer homogenen Gemischbildung im CHHC-Betrieb ebenfalls vorteilhaft aus.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wirkt sich die erfindungsgemäße Kolbenmulde 4 auch in Kombination mit der Quetschströmung und/oder einer im Brennraum 5 gebildeten Drallströmung gemäß Fig. 9 maßgeblich auf eine Verbrennung mit Selbstzündung aus. Insbesondere ergibt sich bei einem mäßigen bis hohen Drall D eine resultierende Strömung, die entlang der Muldenkontur 11 in die Mulde 4 gemäß Fig. 9 hineinströmt. Bei solchen Strömungsverhältnissen lösen sich kraftstoffreiche Verbrennungszonen vom Muldenrand 15 ab, so dass eine schnelle und effektive Oxidation von gegebenenfalls gebildeten Russpartikeln ermöglicht wird. Bei einem geringen oder gar keinem Drall D ist die Quetschströmung unterhalb des Zylinderkopfes 2 zunächst zum Zentrum des Brennraums 5 gerichtet. Demnach wird innerhalb der Mulde 4 ein Wirbel W gemäß Fig. 10 gebildet. Hierdurch wird ebenfalls die Bildung von kraftstoffreichen Gemischzonen innerhalb der Mulde 4 vermieden. Im Sinne der Erfindung ist mit mäßigem Drall eine Drallziffer nach Tippelmann gemeint, die größer als eines ist, wobei mit niedrigem Drall die Drallziffer zwischen Null und eins liegt.

Weiterhin eignet sich die erfindungsgemäße Kolbenmulde 4 insbesondere bei der Verwendung von variablen Einspritzdüsen, bei denen mindestens zwei übereinander angeordnete und selektiv anwählbare Kraftstoffeinspritzbohrungen vorgesehen sind. Demnach wird eine Verringerung der thermischen NOx- Bildung durch eine optimierte wandgeführte selbstzündende Verbrennung unter Vermeidung von örtlichen kraftstoffreichen Zonen, insbesondere nach dem Auftreffen der Kraftstoffstrahlen 8 auf der Kolbenmulde 4 ermöglicht.

Der in Fig. 4 dargestellte zweite Übergangsbereich R2 in Form eines angedeuteten Höckers 16 bzw. eines Wechsels der Steigung ermöglicht ein Ablösen der Flammzonen von der Muldenoberfläche. Insbesondere bei einem Betrieb im Teillastbereich, wo geringe heterogene Einspritzmengen mit einem relativ geringfügigen KraftstoffStrahlimpuls eingespritzt werden, kommt es insbesondere bei Verwendung einer Einspritzdüse 6a mit steilem Spritzlochkegelwinkel ß zu einer Verlangsamung der Eintrittsgeschwindigkeit der Kraftstoffstrahlspitzen im Muldenbodenbereich. Durch den Höcker 16 wird ein Ablösen der Flammzonen im Rahmen der erfindungsgemäßen Muldenkonturgeometrie gemäß Fig. 5 unterstützt und dadurch eine vorteilhafte Vermischung mit der Verbrennungsluft erzielt. Demzufolge werden zusätzliche Kontaktzonen zur Verbrennungsluft bzw. zum notwendigen Sauerstoff der Brennraumluft geschaffen.

Somit werden ein Ausbrandmechanismus und eine Russoxidation verstärkt und beschleunigt . Die durch den Steigungswechsel verursachte Richtungsumlenkung der Kraftstoffstrahlen 8 wird dann innerhalb der Kolbenmulde 4 im Bereich des zweiten Übergangsbereichs R2 bewerkstelligt. Ebenfalls wird bei größeren heterogenen Kraftstoffmengen nachfolgend ein Ablösen der Flammzonen begünstigt.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Muldenrand 15 steil zur Zylinderachse 19 ausgebildet. Durch den relativ steilen Anstieg des Muldenrands 15 werden die Kraftstoffstrahlen 8, insbesondere bei größeren heterogenen Einspritzmengen, verstärkt nach oben in Richtung des Zylinderkopfes 2 umgelenkt. Hierdurch wird ein direktes Auftreffen auf eine Zylinderwand bei späteren Einspritzzeitpunkten vermieden, insbesondere wenn der Kolben schon weiter unterhalb des Zylinderkopfes 2 steht, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Das führt zu einer Reduzierung eines eventuellen Russpartikeleintrags in das Schmieröl bzw. in den Wandfilm und verringert einen Wärmefluss in die Zylinderwand. Außerdem wird damit ein Abkühlen der Verbrennungszonen an der Zylinderwand vermindert und somit einer örtlich frühzeitigen Minderung der Russoxidation entgegen gewirkt.

Dennoch sollten die Gestaltung des Anstieges des Muldenrands 15 nicht zu steil und der Radius am Übergang nicht zu klein sein, um eine ausgeprägte Ausbildung einer Rezirkulationszone zu vermeiden. Denn in solchen Rezirkulationszonen bilden sich kraftstoffreiche Gemischzonen. Demnach findet gemäß Fig. 5 eine leichte Umlenkung bzw. Wirbelbildung am Übergang zur Quetschfläche statt. Diese wirkt sich positiv auf die Verbrennung aus und reduziert den Impuls der Kraftstoff- strahlen 8 bzw. deren Ausrichtung in Richtung des Zylinderkopfes 2.

Dadurch wird die Hauptverbrennungszone unterhalb des Zylinderkopfes 2 konzentriert. Ein Wärmeeintrag in diese Zone wird reduziert . Außerdem führt eine kleine Quetschfläche bei der beginnenden Abwärtsbewegung des Kolbens nach unten zu einer Art Saugwirkung. Hierdurch kommt im Quetschbereich 12 oberhalb der Quetschfläche bzw. des Kolbenbodens 7 ein Volumen zustande, in das ein aus der Kolbenmulde 4 in Richtung des Zylinderkopfes 2 strömendes Gemisch eintritt und sich darin verteilt.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist eine Einspritzdüse 6a mit einem Spritzlochkegelwinkel ß von ca. 90° vorgesehen, wobei insbesondere beim CHHC-Betrieb bei höheren Drehzahl- und Lastbereichen bzw. im Volllastbereich für die homogene Gemischbildungsphase ein Kraftstoffeinspritzbeginn in einem Intervall von etwa 130⁰KW bis 3O⁰KW vor dem oberen Totpunkt eingestellt wird. Dagegen wird der Kraftstoffeinspritzbeginn für die heterogene Hauptverbrennungsphase im Teillastbereich in einem Intervall von ca. 2O⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis ca. 40⁰KW nach dem oberen Totpunkt, vorzugsweise ca. 5⁰KW vor dem oberen Totpunkt gewählt. Dabei beträgt im CHHC-Betrieb der Anteil der heterogen eingespritzten Kraftstoffmenge bei höheren Drehzahl- und Lastbereichen bzw. im Volllastbereich ca. 70% bis 100% und im Teillastbereich ca. 50%.

Dementsprechend gelangt der Kraftstoff während der homogenen Gemischbildungsphase aufgrund der von Zylinderkopf 2 etwas fern gelegenen Kolbenstellung in den flachen Bereich der Kolbenmulde 4 gemäß Fig. 3. Dabei wirkt sich der steile Spritzlochkegelwinkel ß von ca. 90°, oder 80° bis 95° sehr vorteilhaft aus, da der Kraftstoffauftrag auf die Zylinderwand Ia weitgehend minimiert wird. Außerdem vermischt sich der Kraftstoff verstärkt mit der Verbrennungsluft aufgrund der relativ großen freien Länge der Kraftstoffstrahlen 8. Durch die offene Form der Kolbenmulde 4 bewegt sich die Gemischzone in beide Richtungen derart nach Innen und nach Außen, dass die Konzentration in einem begrenzten Teilvolumen des Brennraumes vermieden wird. Der angedeutete Hocker bzw. die Ablösungskante 16 unterstützt dabei in der Spätphase der Homogenisierung die Gemischverteilung.

In einem Teillastbereich trifft die relativ geringe heterogene Kraftstoffeinspritzmenge mit einem geringeren Impuls auf die Kolbenmulde 4 aufgrund der kurzen Einspritzdauer und der kleinen Masse auf und gelangt demnach nur unzureichend in den äußeren Brennraumbereich. Gemäß Fig. 4 wird dennoch durch den Steigungswechsel im zweiten Übergangs- bereich R2 ein Abheben bzw. ein Ablösen der Flammzonen von der Muldenoberfläche begünstigt. Bei einem frühen Einspritzbeginn bei ca. 10⁰KW vor dem oberen Totpunkt löst sich die Gemischzone aufgrund der einsetzende Abwärtsbewegung des Kolbens 3 teilweise von der Wandoberfläche und ein annähernd vollständigerer Ausbrand wird erreicht. Des Weiteren treffen gemäß Fig. 5 in der heterogenen Verbrennungsphase bei etwa 10⁰KW nach bzw. vor dem oberen Totpunkt während der Kraftstoffeinspritzung bei Verwendung der Einspritzdüse 6a mit Spritzlochkegelwinkel ß von ca. 90° zunächst auf den zum Kompressionsvorsprungs 10 benachbarten ersten Übergangsbereich Rl auf, in dem sich der tiefsten Punkt der Kolbenmulde 4 befindet .

Die Kraftstoffstrahlen 8 werden nach anfänglich starker Umlenkung entlang der flach nach außen bzw. nach oben verlaufenden Muldenkontur 11 geführt. Teilweise verbreiten sich die Kraftstoffstrahlen 8 gemäß Fig. 6 zur Seite, treffen in Form von Gemischwolken auf benachbarte Gemischwolken und vermischen sich miteinander. In der Regel erhöht sich in den Grenzzonen 20 die Kraftstoffkonzentration. Dennoch wird mittels der stattfindenden Ablösungsvorgänge durch den im zweiten Übergangsbereich R2 vorhandenen Steigungswechsel die Bildung von kraftstoffreichen Zonen innerhalb der Grenzzonen 20 minimiert.

Hierdurch findet eine heterogene Diffusions-Verbrennung im Wesentlichen ohne thermische NOx-Bildung statt. Um eine erhöhte NOx-Bildung zu vermeiden, wird vorzugsweise die Verbrennungsluft mit rückgeführtem und/oder im Brennraum zurückgehaltenem Abgas vermischt. Hierzu ist eine AGR- Vorrichtung vorgesehen. Zusätzlich liegt durch die vorangegangene homogene Verbrennung bereits verringerte Sauerstoffkonzentration im Brennraum 5 vor, wodurch ebenfalls der NOx-Bildung entgegengewirkt wird.

Bei hohen Drehzahl- und Lastbereichen, insbesondere im Volllastbereich liegt dagegen während der heterogenen Verbrennungsphase eine lange Kraftstoffeinspritzdauer und demnach ein hoher Impuls der Kraftstoffstrahlen 8 vor. Hierdurch werden die Kraftstoffstrahlen 8 durch die Ablösungseffekte im zweiten Übergangsbereich R2 entlang der Muldenkontur 11 nach außen befördert. Der etwas steilere Anstieg des Muldenrands 15 lenkt die gebildeten Kraftstoffwolken 13 gemäß Fig. 5 dann nach oben in Richtung des Zylinderkopfes 2 in den Quetschbereich 12 hinein. Folglich findet kein direktes Auftreffen der brenneden Einspritzstrahlen auf der Zylinderwand Ia gemäß Fig. 11 statt. Aufgrund der erzielten Ablenkung am Übergangsbereich R2 sowie der weiteren Ablenkung durch den Muldenrand 15 wird die Verbrennungsgaswolke 13a bzw. die Verbrennungszone der heißen Gase hin zur brennraumseitigen Oberfläche des Zylinderkopfs 2 gelenkt, so dass keine StaupunktStrömung im Quetschbereich zustandekommt . Somit werden keine Strahlanteile in den Feuersteg 3a im Quetschbereich gedrückt. Denn oberhalb des Feuerstegs 3a findet in der Regel keine Verbrennung statt bzw. falls eine Flame dorthin ihren Weg findet, erlischt sie und führt somit zu einer ehöhten Russpartikelbildung. Dementsprechend wird das Eindringen von Russpartikeln mit den Blowbygasen in das Kurbelgehäuse weigehnd verhindert und eine Ölverschmutzung hierdurch auf ein Minimum reduziert.

Folglich eignet sich die erfindungsgemäße Kolbenmulde 4 ebenfalls für einen konventionellen Dieselbetrieb, bei dem vorzugsweise die gesamte Kraftstoffmenge um den oberen Totpunkt als Haupteinspritzung HE und als Nacheinspritzung NE gemäß Fig. 12b eingebracht wird. Vorzugsweise wird die gesamte Kraftstoffmenge, d.h. die Haupteinspritzung HE und die Nacheinspritzung NE, in einem Bereich zwischen 2O⁰KW vor OT und 40⁰KW nach OT in den Brennraum 5 gemäß Fig. 12a bis 12c eingebracht, wobei die Aufteilung der Kraftstoffmenge in die Haupteinspritzung HE und die angelagerte Nacheinspritzung NE derart erfolgt, dass mit der Nacheinspritzung NE direkt unmittelbar, d.h. zwischen O⁰KW und 2O⁰KW nach Beendigung der Haupteinspritzung HE begonnen wird. Die erfindungsgemäße Kolbenmuldenausbildung ermöglicht schon bei geringen Nacheinspritzmengen eine vorteilhafte Vermischung der nacheingespritzten Kraftstoffmneg mit der im Zentrum der Kolbenmulde 4 befindlichen und noch unverbrauchten Verbrennunsgluft. Durch die geringere Menge der Haupt- einspritzung HE, im Vergleich zu einer einzigen Block- Haupteinspritzung, ergibt sich eine geringere Überfettung in den äußeren Zonen an der Muldenwand.

Daher ergeben sich in der Brennraummitte gemäß Fig. 12b aufgrund der angelagerten Nacheinspritzung NE höhere Gastemperaturen im Vergleich zu einer ungeteilten Haupt- einspritzung HE. Das führt zu vorteilhafteren Bedingungen für den Russausbrand und somit zu einer niedrigeren Russemission. Die Bemessung der Nacheinspritzmenge wird derart vorgenommen, dass die nacheingespritzten Kraftstoffanteile den günstigen Bereich des Muldeninneren nicht wieder verlassen. Denn die Außenbereiche des Brennraumes 5 bzw. der Quetschbereichs 12 weisen zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung NE geringere Sauerstoffanteile als in der Mitte der Kolbenmulde 4.

Dadurch kommen bei einer angelagerten Nacheinspritzung NE bei Verwendung einer Einspritzdüse mit einem Spritzkegelwinkel von z.B. 90° die nacheingespritzen Strahlen gemäß Fig 12a, 12b und 12c zunächst nicht mit den Flammzonen aus der Hauptverbrennung in Kontakt. Demzufolge zünden diese relativ spät. Ein späteres Zünden führt zu einer Ausmagerung im Strahl und somit zu einer minimalen Russbildung. Die Verbrennungszonen der Nacheinspritzung NE liegen mit Hilfe der vorgesehenen Einspritzstrategie vermehrt im Zentrum des Brennraumes 5, wie in Fig. 12c dargestellt, und erstrecken sich vom Kolben 3 bis zum Zylinderkopf 2. Insgesamt wird dadurch eine bessere deutlich Erfassung des Muldenvolumens erreicht.

Aufgrund der vorteilhaften Verbrennung kann die Kraftstoffmenge der Nacheinspritzung NE, im Gegensatz zu einer üblichen konventionellen Brennraumkonfiguration, größer gewählt werden. Durch die geringere Menge der ersten Einspritzung bzw. Haupteinspritzung HE wird eine geringere Überfettung in den äußeren Zonen des Brennraum 5 erzielt, so dass mit der zweiten Einspritzung bzw. Nacheinspritzung NE die unverbrauchte Verbrennungsluft genutzt werden kann. Somit wird eine geringe thermische NO-Bildung verursacht, da die Einspritzung der gesamten Kraftstoffmenge, Haupteinspritzung HE und Nacheinspritzung NE, zum einem relativ späten Zeitpunkt im Kompressionshub, z.B. um den oberen Totpunkt, ermöglicht wird. Vorzugsweise beträgt die Nacheinspritzmenge zwischen 5% und 35% oder zwischen 10% und 20% bzw. um 20% der Gesamtkraftstoffmenge.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die Einspritzdüse 6a mit einem Spritzlochkegelwinkel ß von ca. 120° verwendet, wobei insbesondere beim CHHC-Betrieb bei höheren Drehzahl- und Lastbereichen bzw. im Volllastbereich für die homogene Gemischbildungsphase ein Kraftstoff- einspritzbeginn in einem Intervall von etwa 130⁰KW bis 3O⁰KW vor dem oberen Totpunkt gewählt werden.

Dagegen wird der Kraftstoffeinspritzbeginn für die heterogene Hauptverbrennungsphase im Teillastbereich in einem Intervall von ca. 20⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis ca. 40⁰KW nach dem oberen Totpunkt, vorzugsweise ca. 5⁰KW vor dem oberen Totpunkt gewählt. Dabei beträgt im CHHC-Betrieb der Anteil der heterogen eingespritzten KraftStoffmenge bei höheren Drehzahl- und Lastbereichen bzw. im Volllastbereich ca. 70% bis 100% und im Teillastbereich ca. 50%.

Während der homogenen Gemischbildungsphase trifft der Kraftstoff weiter außen auf die Kolbenmulde 4 und wird gemäß Fig. 7 danach nach Außen und teilweise nach innen umgelenkt. Am Übergang zum Quetschbereich 12 tritt eine leichte Strahlteilerwirkung auf. Während der heterogenen Gemischbildungsphase treffen die Kraftstoffstrahlen 8 gemäß Fig. 8 im Vergleich zur Einspritzdüse 6a mit einem Spritzlochkegelwinkel ß von 90° etwas weiter außen auf den Kolbenboden 14 auf . Aufgrund des größeren Abstandes des Auftreffpunkts von der Brennraummitte bilden sich beim Zusammentreffen der abgelenkten Gemischwolken benachbarter Kraftstoffstrahlen 8 weniger kraftstoffreiche Zonen im Grenzzonenbereich 20. Ansonsten ergibt sich danach ein ähnlicher Verlauf wie der von der Einspritzdüse mit dem Spritzlochkegelwinkel ß von 90°. Die Gemischwolken 13 werden entlang der Muldenkontur 11 nach außen geführt und durch den Muldenrand 15 nach oben umgelenkt. Ein direktes Auftreffen auf die kalte Zylinderwand wird dadurch vermieden. Aufgrund der Quetschfläche tritt der Saugwirkungseffekt auf. Insbesondere ist bei Volllast der Wirbel am vierten Übergangsbereich R4 mit örtlich kraftstoffreichen Zonen weniger stark ausgeprägt und über den Umfang gleichmäßiger verteilt als bei einer Einspritzdüse 6a mit einem Spritzlochkegelwinkel /3 von 90°.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Brennraumkonfiguration eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung, die sowohl mittels eines CHHC-Betriebs als auch mittels eines rein homogenen oder rein heterogenen Dieselbrennverfahrens betrieben werden. Außerdem eignet sich die erfindungsgemäße Kolbenmulde 4 insbesondere für den Einsatz einer Einspritzdüse 6a mit einem Spritzlochkegelwinkel ß von 80°, 85°, 90° oder 120°. Die Verwendung einer Einspritzdüse 6a mit einem steilen Spritzlochkegelwinkel ß von 80° wirkt bei früher homogener Gemischbildung einer eventuellen Schmierölverdünnung entgegen, da ein eventueller Kraftstoffwandauftrag aufgrund einer großen Reichweite der flüssigen KraftstoffStrahlanteile bei früher Einspritzung und steilem Einspritzkegelwinkel am Kolbenmuldenrand 15 und nicht an der Zylinderwand erfolgt. Des Weiteren liegt eine verlängerte freie Kraftstoffstrahlstrecke vor. Ferner findet eine vorteilhafte Kraft- stoffaufteilung in den vom Kraftstoff erfassten Zonen, insbesondere in der Quetschzone oder im Kolbenmulden- bodenbereich statt, so dass eine gleichmäßige Gemischverteilung im Brennraum 5 erzielt wird.

Claims

Patentansprüche

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) , die einen Muldenboden (14) mit einer maximalen Muldentiefe (t) aufweist, wobei

- sich der Muldenboden (4) von einem Kompressionsvorsprung (10) bis zu einem Muldenrand (15) erstreckt,

- Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse (6a) kegelförmig in den Brennraum (5) eingespritzt wird, und

- der Kraftstoff beim Auftreffen auf die Kolbenmulde (4) zumindest teilweise entlang einer Muldenboden- kontur (11) zwischen dem Kompressionsvorsprung (10) und dem Muldenrand (15) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass

- 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 werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit einem Spritzlochkegelwinkel (/?) von 70° bis 130°, insbesondere 85°, 90° oder 120° in den Brennraum (5) eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil des Kraftstoffes zur Bildung eines homogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 130°KW bis 30°KW vor einem oberen Totpunkt eingespritzt wird, wobei ein weiterer Teil des Kraftstoffes zur Bildung eines heterogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich von 20⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis 40⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der eingespritzten Kraftstoffmenge zur Bildung des heterogenen Gemisches im Vergleich zu einer Gesamtkraftstoffmenge zwischen 60% und 100% bei höheren Drehzahl- und Lastbereichen sowie bei Volllast und zwischen 30% und 70% bei niedrigen bzw. mittleren Drehzahl- und Lastbereichen beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtkraftstoffmenge zwischen 20⁰KW vor dem oberen Totpunkt bis 40⁰KW nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte eingespritzte Kraftstoffmenge in eine Haupteinspritzung (HE) und eine angelagerte Nacheinspritzung (NE) aufgeteilt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Beginn der Nacheinspritzung (NE) und dem Ende der Haupteinspritzung (HE) zwischen O⁰KW bis 2O⁰KW beträgt.

8. Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 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 angeordneten Kolbenmulde (4), die einen Muldenboden (14) mit einer maximalen 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.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übergangsbereich (Rl) benachbart zum Kompressionsvorsprung (10) , der zweite Übergangsbereich (R2) in einem mittleren Teil des Muldenbodens (14) und/oder der dritte Übergangsbereich (R3) benachbart zum Muldenrand (15) angeordnet sind.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldenboden (14) zwischen dem ersten Übergangsbereich (Rl) und dem zweiten Übergangsbereich (R2) einen Muldenbodeninnenbereich (17) und zwischen dem zweiten Übergangsbereich (R2) und dem dritten Übergangsbereich (R3) einen Muldenbodenaußenbereich (18) aufweist, wobei der Muldenbodenaußenbereich (18) flacher als der Muldenbodeninnenbereich (17) ausgebildet ist.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldenbodeninnenbereich (17) mindestens einen trichterförmigen Abschnitt umfasst, der mit der Kolbenmittellinie (19) einen Winkel von 65° bis 80°, insbesondere einen Winkel von 70° bis 73° einschließt.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldenbodenaußenbereich (18) einen Abschnitt mit einer Tangente umfasst, die mit der Kolbenmittellinie (19) einen Winkel von 70° bis 90°, insbesondere einen Winkel von 84° bis 86° einschließt.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Muldenrand (15) und dem Kolbenboden (14) mindestens ein vierter abgerundeter Übergangsbereich (R4) konvex ausgebildet ist, wobei der Übergangsbereich (R4) einen Radius mit einem Mittelpunkt unterhalb des Kolbenbodens (14) aufweist.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der MuIdenrandbereich (15) mindestens einen Abschnitt mit einer Tangente umfasst, die mit der Kobenmittellinie einen Winkel von 15° bis 50°, insbesondere einen Winkel von 25° bis 35° einschließt.

15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldenrand (15) ringförmig ausgebildet ist und einen maximalen Muldendurchmesser (DM) aufweist, der Kolben (2) einen Kolbendurchmesser (Db) aufweist, und wobei ein Verhältnis (DM/Db) von maximalem Muldendurchmesser (DM) zu Kolbendurchmesser (Db) in einem Bereich zwischen 0,75 und 0,95, insbesondere zwischen 0,8 und 0,85 liegt

16. Brennkraftmaschine einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis (t/Db) von maximaler Muldentiefe (t) zu Kolbendurchmesser (Db) in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,2, insbesondere zwischen 0,12 und 0,16 liegt.