WO2018033232A1 - Verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine, sowie verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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WO2018033232A1
WO2018033232A1 PCT/EP2017/000847 EP2017000847W WO2018033232A1 WO 2018033232 A1 WO2018033232 A1 WO 2018033232A1 EP 2017000847 W EP2017000847 W EP 2017000847W WO 2018033232 A1 WO2018033232 A1 WO 2018033232A1
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piston
injection
fuel
cylinder
subset
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PCT/EP2017/000847
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Herbert Zoeller
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Daimler Ag
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    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1 and to an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 5.
  • the internal combustion engine has a direct fuel injection and a self-ignition and is thus designed as a direct-injection, self-igniting internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has at least one cylinder, the combustion chamber is laterally bounded by a cylinder wall, axially on the one hand by a cylinder head and axially on the other hand by a translationally movably received in the cylinder piston.
  • the cylinder wall defines, for example, a longitudinal central axis of the cylinder.
  • the internal combustion engine comprises an injection element assigned to the cylinder, which is also referred to as injector or injection nozzle.
  • the injection element is arranged coaxially to the combustion chamber or at least substantially coaxially to the longitudinal central axis.
  • the injection element is at least partially, in particular at least predominantly or completely, arranged in the cylinder head.
  • the piston has an annular circumferential, axially recessed opposite to an annular piston crown piston crown arranged in the piston stage, which merges via an annular circulating beam splitter contour in a piston recess axially deepened in the piston arranged piston recess.
  • the injection element is designed so that it can inject a plurality of injection jets in a star shape into the combustion chamber for a combustion process at the same time.
  • the internal combustion engine by means of the injection element simultaneously injects a plurality of injection jets in a star shape in the combustion chamber, wherein the respective injection jet may be formed, for example, at least substantially conical.
  • the procedure is one
  • Injection jets at the beam splitter contour are each split into a first subset of fuel, a second subset of fuel, and respective third subsets of fuel.
  • the respective injection jet comprises fuel, which is injected by means of the injection jet directly into the combustion chamber.
  • the subsets are therefore also referred to as partial fuel quantities.
  • the first subset occurs at least substantially in the piston recess.
  • the second subset enters via the piston step at least substantially in an area between the piston crown and the cylinder head.
  • the third subsets extend from the respective injection jet on both sides in the circumferential direction of the piston in opposite directions along the piston stage and collide within the piston stage to each other. Furthermore, the third subsets are deflected radially inwards. Training and leadership of the third subsets are caused by the impact of the injection jets on the beam splitter contour in the piston stage.
  • the first subset and the second subset form a first combustion front and a second combustion front.
  • a third combustion front is formed which propagates substantially radially into a gap formed circumferentially between adjacent injection jets.
  • Such a combustion method can also be referred to as "3-front combustion” or as TFC (Triple Front Combustion), since spatially substantially three combustion or flame fronts spread in the combustion chamber for each injection jet.
  • the combustion process makes available the fresh gas or fresh gas / exhaust gas mixture available in the combustion chamber to a high degree, which considerably reduces the soot formation of the combustion process in particular. Furthermore, by the opposite of the first two
  • the third subsets of adjacent injection jets in the piston stage hit each other with a large pulse.
  • the momentum of the third subsets is formed from the product of the mass of the third subsets and their velocity. If the momentum of the third subsets is sufficiently large, the third subsets are diverted into the combustion chamber when they meet.
  • the respective jointly deflected third subsets can form a third combustion front, which is directed substantially in the direction of the longitudinal central axis between the respective injection jets.
  • a high turbulence is generated in the combustion chamber by means of the third combustion front, so that the
  • Compatibility increases for exhaust gas recirculated into the combustion chamber, whereby the NO x emission can be further reduced by means of the increased EGR content in the combustion chamber.
  • Object of the present invention is to provide a method and a
  • the injection element when injecting the fuel into the combustion chamber of preferably liquid fuel, the injection element with a hydraulic flow (HD) of more than 1000 cm 3 (cubic centimeters) per 60 seconds at an injection pressure of 100 bar and liters per cylinder for truck applications and more than 1900 cm 3 per 60
  • the invention Flows through seconds at an injection pressure of 100 bar and liters of displacement per cylinder for passenger car applications.
  • the invention is based on a 3-front combustion process, in the context of which the three combustion fronts arise.
  • the injection jets emanating from injection openings of the injection element for example also referred to as an injector or injection nozzle, impinge on the beam splitting contour or on the piston step and are deflected in such a way that the combustion fronts, which are also referred to as flame fronts, propagate
  • Fuel consumption of the internal combustion engine are kept in a particularly small frame.
  • the invention is based on the finding that the efficiency of a fuel direct injection and auto-ignition having, that is as
  • direct injection and auto-ignition internal combustion engine trained internal combustion engine can be improved by increasing the compression ratio and shortening the burning time.
  • Compression ratio is the available combustion chamber, however, smaller and smaller, so that less space for the flame is available and the rays or flame fronts the combustion chamber wall (cylinder head, cylinder wall and piston) reach faster and there due to the lower temperature lead to soot, causing the Soot emissions increase.
  • the burning time can be shortened by increasing the hydraulic flow of the injection element. By increasing the hydraulic flow of the injection element, an increase in the injection quantity per unit time is effected. Such a larger injection amount of fuel per unit time could not be completely burned with the previously known method for operating an internal combustion engine above a certain value and led to increased
  • Incineration for internal combustion engines for truck applications is, among other things, developed in such a way that the raw emissions of the internal combustion engine reach a blackening rate (SZ) of at most 0.8.
  • SZ blackening rate
  • combustion for internal combustion engines for passenger car applications is, among other things, developed in such a way that the raw emissions of the engines
  • the blackening number (SZ) reaches a maximum value of 3.0.
  • the blackening number SZ is a measure of the soot emissions of a
  • Injection elements related. These very different numbers of blackening are due to the different certification and emissions regulations, with customer specific requirements such as e.g. a required specific power and a starting torque play a major role.
  • a specific power for truck applications may be 35 KW per liter of displacement while a specific power for car applications may be up to 100 KW per liter of displacement. It is clear that higher specific benefits with a higher injected
  • Fuel quantity per unit time can be achieved, so that in particular the hydraulic flow of an injection element is adjusted accordingly, whereby at higher hydraulic flow rates (HD), the number of blackening (SZ) and the soot emissions increase.
  • the hydraulic flow rate (HP) is normalized to a fuel volume (cm 3 ) per unit time (60 seconds) at a constant injection pressure (100 bar) in a one-liter cylinder.
  • Total weight of 3.5 1, in particular transporter, with a Internal combustion engine which were originally intended for a car application. It may be that the implementation of an internal combustion engine originally for a car applications in a truck application without special changes in the combustion takes place, so that a
  • Smoke number (SZ) of these vehicles is in the range of the car applications, whereby motor vehicles with a gross vehicle weight of, for example, up to 3.5t and an internal combustion engine from an original car application to a car application according to the present invention is assigned.
  • Compression ratio of at least 20, in particular of at least 20.5, is operated.
  • the combustion air contained in the combustion chamber can be particularly well utilized, the
  • Compression ratio in comparison to conventional internal combustion engines by about two units to about 20.3, in particular to 20.5, are increased, at the same time a particularly high hydraulic flow of the injection element can be realized. This can increase the efficiency compared to conventional ones
  • Compression ratio without significant increase in carbon black emissions can be further optimized.
  • the burning time can be compared to conventional ones
  • FIG. 1 in fragmentary form a schematic longitudinal sectional view of a
  • Fig. 2 is a schematic plan view of a piston of
  • FIGS. 3a-c are fragmentary views of a schematic half-longitudinal sectional view of FIG.
  • FIGS. 4a-4c are fragmentary schematic top views of the piston in the different states of the combustion process
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a method of operating the internal combustion engine, wherein in the method, the said 3-front combustion method is performed;
  • Fig. 7 is another diagram for illustrating the method for
  • Fig. 8 is another diagram for illustrating the method for
  • Fig. 9 is another diagram for illustrating the method.
  • an internal combustion engine 1 which is also referred to in particular as an internal combustion engine and can be used in a motor vehicle, both in a commercial vehicle and in a passenger car, comprises at least one cylinder 2 and an injection nozzle 3 of a non-illustrated Injectors per cylinder 2.
  • the injection nozzle 3 is also referred to as injector or injector.
  • the internal combustion engine 1 is shown in FIG. 1 only in the region of such a cylinder 2. In principle, the internal combustion engine 1 can also have more than one cylinder 2.
  • the respective cylinder 2 is in one
  • Crankcase 4 is formed, on which a cylinder head 5 is arranged in the usual way.
  • a combustion chamber 6 is bounded laterally by a cylinder wall 7 and axially on the one hand by the cylinder head 5 and axially by a piston 8, which is arranged or accommodated in the cylinder 2 such that it can be adjusted in stroke or translational manner.
  • the cylindrical cylinder wall 7 defines a longitudinal central axis 9 of the cylinder 2.
  • the injection nozzle 3 is arranged coaxially with the combustion chamber 6 in the cylinder head 5.
  • the piston 8 is designed as a stepped piston.
  • a stepped piston 8 has a circumferential with respect to the longitudinal central axis 9 annular piston step 10, one with respect to the longitudinal central axis 9 annular encircling piston crown 11 and with respect to the longitudinal center axis 9 coaxially arranged piston recess 12.
  • the piston stage 10 is opposite to the
  • Piston crown 11 axially recessed formed or arranged in the piston 8.
  • the piston recess 12 is formed axially opposite the piston step 10 in the piston 8 or arranged.
  • the cross-section of the piston stage 10 is designed at an angle and has axially a circumferential step wall 13, which merges via a concavely curved transition wall 14 into a radially planar stepped bottom 15.
  • the step wall 13 merges into the flat piston crown 11.
  • beam splitter contour 16 On, which merges into the lower-lying piston recess 12. Both the step wall 13, the transition wall 14, the stepped bottom 15 and the beam splitter contour 16 are with respect to the
  • Longitudinal central axis 9 annular, in particular circular, designed circumferentially.
  • the piston 8 also has a piston cone 17, which is formed coaxially and concentrically within the piston recess 12.
  • the piston cone 17 has a
  • a conical tip 19 is recessed relative to the piston crown 1 arranged in the piston 8. in the
  • the piston crown 11 extends in a direction perpendicular to
  • the piston stage 10 also extends along its essential area in a plane which is perpendicular to the longitudinal central axis 9.
  • the beam splitter contour 16 protrudes radially inwards over a radially outer wall 20 of the piston recess 12.
  • the piston recess 12 has an undercut 21 with respect to the beam splitter contour 16.
  • the beam splitter contour 16 is in the form of a rounded, annular circumferential
  • the beam part contour 16 can also be formed as a rounded, annular circumferential, substantially rectangular cross-section, edge between the stepped bottom 15 and outer wall 20 of the piston recess 12.
  • the injection nozzle 3 is designed so that it can simultaneously generate a plurality of injection jets 22, the star-shaped with respect to the longitudinal central axis 9 of the injection nozzle 3 substantially radially into the combustion chamber 6 in propagate. It is essential that the injection jets 22 in increasing radial distance spread coaxially to the longitudinal central axis 9.
  • the respective injection jet 22 occurs along an inclined longitudinal central axis 23, which defines a propagation direction of the respective injection jet 22.
  • the entirety of the injection jets 22 has a cone contour which has a beam cone angle 24.
  • the individual injection jets 22 extend in the combustion chamber 6 in each case in a club shape.
  • Keulenkontur is designated in Fig. 1 by the reference numeral 25.
  • the individual injection jets 22 and the resulting further jets or subsets are shown in simplified form as arrows. It is clear that the injection jet 22 and the separate from the injection jet 22, individual
  • Subsets each represent a propagating fuel vapor cloud or a cloud of combustion air and fuel, which can already react at least on its outside with the oxygen of the combustion chamber 6 and thus forms a flame front or a burning fuel-air mixture. It is also clear that the injection jet 22 is substantially along its
  • Longitudinal central axis 23 initially carries fuel in largely liquid form with it and forms only at its edges with the combustion air in the combustion chamber 6, an air-fuel mixture, wherein the liquid fuel in the course of the combustion process further evaporated and mixes with the combustion air.
  • a combustion process that works with auto-ignition, in particular diesel fuel or the like is performed.
  • the combustion process is also referred to as a combustion process.
  • a charge exchange takes place in the respective cylinder 2 in a conventional manner, so that in the respective combustion chamber 6 there is subsequently a charge of fresh air or a charge of fresh air and recirculated exhaust gas.
  • the charge from fresh air or from fresh air and recirculated exhaust gas in the combustion chamber 6 is also acted upon by a swirl 26, which is indicated in Fig. 4a to Fig. 4c by a block arrow.
  • the swirl 26 or the swirl flow thus corresponds to a rotation of the charge about the longitudinal central axis 9, ie a flow in the circumferential direction.
  • Piston crown 11 axially opposite annular portion 27 of the cylinder head 5 a
  • Quetschspalt 28 is formed, which has a radially measured Quetschspaltin 29 and an axially measured Quetschspalt basically 30.
  • the squish gap length 29 corresponds essentially to the radial distance between the cylinder wall 7 and the step wall 13.
  • the squish height 30 corresponds to the axial distance between the annular region 27 and the piston crown 11 at top dead center of the piston. 8
  • Quetschspaltströmung 31 may arise. However, due to the inertia of the charge in the combustion chamber 6 or the portion of the charge in the combustion chamber 6, which is acted upon by the Quetschspaltströmung 31, with downward aspiring piston 8 formed in the compression stroke Quetschspaltströmung 31 is still present and is effective at least until the end of the injection ,
  • the injection nozzle 3 generates for one
  • injection jets 22 which propagate in a star shape in the combustion chamber 6 inside.
  • the injection jets 22 are with respect to the beam cone angle 24 to the position of the piston 8 in
  • Injection jets 22 on the beam splitter contour 16 clearly shown.
  • the swirl flow 26, the nip flow 31 and a jet flow 32 are present in the combustion chamber 6.
  • the jet flow 32 is a flow of the charge which results from entrainment of the combustion air surrounding the injection jets 22.
  • Jet flow 32 is symbolized by a block arrow between the injection jet 22 and the cylinder head 5 and has a clear direction vector, which in the
  • the twist 26 has a clear directional vector which is tangential to the longitudinal central axis 9 or is directed to the piston 8, symbolized by its block arrow.
  • the nip flow 31 has a clear direction vector, which runs transversely to the direction of the longitudinal central axis 9, symbolized by its block arrow.
  • Injection jet 22 in the further course of the injection into a first subset 33, a second subset 34 and third subsets 35 divided.
  • the piston 8 has further removed from the cylinder head 5 and the injection nozzle 3, so that the injection jet 22 now migrates towards the center of the beam splitter contour 16 and the stepped bottom 15 in its impact on the beam splitter contour 16.
  • Subset 33 occurs in the piston recess 12 a.
  • the second subset 34 flows via the piston stage 10 on the piston crown 11 in the direction of the cylinder wall 7 and the cylinder head 5 and the annular portion 27 of the cylinder head 5.
  • the third subsets 35 flow in the piston stage 10, starting from the longitudinal center axis 23 of the injection jet 22 opposite to each other in the piston stage 10 along.
  • the third subsets 35 flow when impinging on the step wall 13 divided from the injection jet 22 to the left and to the right.
  • Fig. 3b to Fig. 3c are the
  • the essential direction vectors of the third subsets 35 are represented by large dots and the essential direction vector of the swirl 26 is represented by a circle with a dot in the middle.
  • the first subsets 33 are not shown for the sake of clarity.
  • the first subset 33 forms a first essential flame front in the combustion chamber 6.
  • the second subset 34 forms a second essential flame front in the combustion chamber 6.
  • the fuel separated from the injection jet 22 has essentially mixed with the combustion air in the combustion chamber 6 and ignited.
  • a third subset 35 of the one injection spray jet 22 and a third subset 35 of the adjacent injection jet 22 may collide in the circumferential direction and unite to form a third combustion front 36, which radially extends away from the step wall 13 of the piston step 10, radially inwardly into a gap 37 which is formed in the circumferential direction between each two adjacent injection jets 22.
  • the unifying third subsets 35 of two adjacent injection jets 22 form the third essential flame front in the combustion chamber 6.
  • the third subsets 35 have sufficient fuel mass and high speed for a sufficiently high pulse. This is achieved by an inventive
  • Redirecting the injection jet 22 is supported by the moving away from the cylinder head 5 piston 8.
  • the Nachlenken introduced by the injection jet 22 into the combustion chamber 6 fuel continue to impinge on the beam part contour 16 so that the fuel can be optimally divided for the formation of the three subsets 33, 34, 35. From the respective significant directional vectors of the twist 26, the nip flow 31 and the jet flow 32 results
  • a resulting flow 38 has at least one essential direction vector or a substantial one
  • Injection jets 22 on the beam splitter contour 16 always at the right time.
  • Fig. 3b To clarify the various flows 26, 31 and 32 and the resulting resulting flow 38 and the essential direction vector shown in Fig. 3b and Fig. 3c are shown in Fig. 3b, all flows 26, 31, 32 and 38 in the representation of the block arrows , For the sake of clarity, only the essential flow 38 essential to the invention is shown in FIG. 3c and no flow is shown in FIG. 4c.
  • the resulting flow 38 causes the injection jets 22 to be redirected to the piston 8 which is removed from the cylinder head 5 or the injection nozzle 3 by deflecting the injection jet 22 by means of the resulting flow 38 jet on the beam splitter contour 16 in the direction of the piston 8 or curved.
  • the continuous curvature of the injection jet 22 is symbolized by a beam bend 39 for the sake of clarity.
  • Injection jet 22 impinges more or less precisely on the beam splitter contour 16 in the direction of the stepped bottom 15 or on the stepped bottom 15.
  • the resulting flow 38 is formed, which forces the longitudinal central axis 23 of the injection jet 22 further into the region of the beam splitter contour 16, so that the longitudinal central axis 23 of the injection jet 22 can not pass over the step wall 13 or even strike the piston crown 11 whereby the second subset or combustion front 34 remains relatively small and the cylinder wall 7 is not substantially touched and a sufficiently large amount of fuel is the third subsets 35 available.
  • Injection jet 22 on the piston 8 and the distribution of an injection jet 22 in its three subsets 33, 34, 35 applies to large injection quantities with correspondingly long injection periods, of course, depending on injection pressure and
  • the duration of the injection is also correspondingly shorter, as a rule. It may happen that the injection jet 22 only partially sweeps over the beam splitter contour 16, as shown in Fig. 3b, before the injection is completed. In this case, the resulting flow 38 according to the invention also acts on such an injection jet 22, although at the end of its injection period it does not impinge offset on the beam splitter contour 16 to the piston stage 10.
  • the emergence of the third combustion front 36 can, as shown in Fig. 4c, take place anyway, since the
  • Injection jet 22 has a lobe contour 25, ie a club-shaped mixture cloud with a lobe contour 25, the longitudinal center axis 23 of the injection jet 22 surrounds and this mixture cloud on the beam splitter contour 6 in the first subset 33 in the Piston cavity 12 flows, and in the second subset 34 and the third subsets 35, which flow in the direction of the piston stage 10, is divided.
  • the piston recess 12 below the beam splitter contour 16 has an undercut 21 in the region of the outer wall 20. Due to the substantially radially shaped
  • first subsets 33 of the respective injection jets 22 in the region of the undercut 21 are deflected so that the first subsets 33 leave the undercut 21 transversely to the direction of the longitudinal central axis 9.
  • the longitudinal flow 40 is marked in FIG. 3b and FIG.
  • Injection jet 22 has been found to be particularly advantageous when the respective injection nozzle 3, seven to twelve, preferably ten to twelve, in particular ten injection holes 41, one of which is shown by way of example in Fig. 5.
  • the respective injection nozzle 3 can produce seven to twelve or ten to twelve, preferably exactly ten, injection jets 22.
  • the injection holes 41 of the injection nozzle 3 are also referred to as injection openings and are aligned with respect.
  • the longitudinal central axis 9 so that, for example, the beam cone angle 24 may be in an angular range of about 140 ° to about 160 °. However, a beam cone angle of 152 ° ⁇ 1 ° is preferred.
  • the spin 26 conveniently moves in an iTheta range extending from about 0.3 to about 4.5, and preferably from about 0.8 to 2.5. This swirl number iTheta can be determined in a known manner, for example with the aid of the Tippelmann rectifier twist measurement method.
  • Typical swirl generating means are the arrangement and orientation of an inlet channel and the configuration of an inlet opening.
  • a valve seat of an intake valve may be configured to generate swirl.
  • the nip 28 may conveniently have a nip height 30 ranging from about 0.3% to about 2.5% of that shown at 42 in FIG.
  • Piston diameter can be.
  • the nip height 30 is in a range of 0.5% to about 1.2% of the piston diameter 42.
  • the nip length 29 is suitably in a range of about 6% to about 22% of the
  • Piston diameter 42 and preferably in a range of about 9% to about 14% of the piston diameter 42nd
  • the respective injection hole 41 has a hole length 43 and a
  • Hole diameter 44 A ratio of hole length 43 to hole diameter 44 ranging from about 2.5 to about 10.0, and preferably ranging from about 3.0 to about 7.0, has been found to be particularly advantageous.
  • the respective injection hole 41 is conical, such that it tapers from an inlet side 45 to an outlet side 46. Accordingly, the hole diameter 44 varies along the hole length 43.
  • the hole diameter 44 on the inlet side 45, optionally downstream of a fillet 47, may be greater than about 2% to about 25%, preferably about 5% to about 15%
  • the injection hole 41 shown in Fig. 5 has on its inlet side 45 a rounding 47, which may be, for example, hydraulically erosive.
  • a longitudinal central axis 48 of the respective injection hole 41 defines the longitudinal central axis 23 of the injection jet 22 and includes with the longitudinal central axis 9 of the cylinder 2 an angle 49 which is half the beam cone angle 24.
  • the here presented self-igniting combustion method is for direct injection
  • Internal combustion engine that is, to realize a particularly high efficiency while keeping the nitrogen oxide (NO x -) and the soot emissions particularly low, it is provided in the context of the process and thus in the context of the 3-front combustion process that at injecting the fuel into the combustion chamber 6 of an internal combustion engine, the fuel injector (injector 3) with a hydraulic flow (HD) of more than 1000 cm 3 (cubic centimeters) per 60 seconds at an injection pressure of 100 bar and liter displacement per cylinder for trucks Applications and a hydraulic flow (HD) of more than 1900 cm 3 (cubic centimeters) per 60 seconds at an injection pressure of 100 bar and liter displacement per cylinder for car applications flows through.
  • the combustion chamber 6 has a compression ratio of at least 20, in particular of at least 20.5, for truck applications, wherein, for example, the compression ratio, which is also denoted by ⁇ , is 20.3, for example.
  • the compression ratio can also be increased by about 1 to 2 units, for example from 15.5 to 17.5
  • FIG. 6 shows a diagram on whose abscissa 50 the compression ratio of the combustion chamber 6 is plotted. On the ordinate 51 of the diagram shown in Fig. 6, the efficiency, in particular the thermal efficiency rjtn the
  • a graph 52 in the diagram illustrates the thermal efficiency as a function of the
  • Compression ratio of the efficiency or thermal efficiency can be increased.
  • an increase in the compression ratio of the combustion chamber 6 is possible because the three-front combustion method provides low soot emissions due to its good mixing of fresh air, recirculated exhaust gas (EGR) and fuel even with high compression ratios.
  • EGR recirculated exhaust gas
  • the hydraulic flow of the injection member can be considerably higher than 1000 cm 3 per 60 Seconds at an injection pressure of 100 bar and liters per cylinder for truck applications, and much higher than 1900 cm 3 per 60 seconds at a
  • Injection pressure of 100 bar and liters per cylinder for car applications are, without causing an excessive increase in nitrogen oxide and soot emissions.
  • FIG. 7 shows a diagram, on the abscissa 53 of which the temperature prevailing in the combustion chamber 6 is plotted.
  • the ordinate 54 of the diagram shown in FIG. 7 shows the nitrogen oxides contained in the exhaust gas. From FIG. 7 it can be seen from a profile 63 that, although the nitrogen oxide emissions increase with increasing temperature. An excessive increase in nitrogen oxide emissions in the combustion chamber 6 can, however, by using the 3-front combustion process in combination with the high
  • Fig. 8 shows a diagram on the abscissa 55, the time is plotted. On the ordinate 56 of the diagram shown in Fig. 8 are the
  • Nitrogen oxides applied From FIG. 8 it can be seen, in particular, from a profile 58 that the nitrogen oxides can be kept low if the fuel injected into the interior 6 is converted particularly quickly, that is to say it can be burnt.
  • the fuel injected into the combustion chamber 6 can be converted particularly quickly, ie in a particularly short time, so that excessively high nitrogen oxide and soot emissions can be avoided despite the high compression ratio , As a result, a particularly high efficiency of the internal combustion engine can be realized, without it being excessively high
  • Nitrogen oxide and soot emissions comes.
  • Fig. 9 shows another diagram, on the abscissa 57 of the crank angle
  • FIG. 9 illustrates a curve 59, the cylinder pressure profile of a conventional internal combustion engine, wherein a course 60 the
  • a profile 61 illustrates the combustion process and thus the previously described conversion of the fuel in a conventional one
  • Internal combustion engine 1 and thus illustrates the implementation of the injected into the combustion chamber 6 fuel. It can be seen from FIG. 9 that the high hydraulic flow rate of the injection element makes it possible to significantly shorten the burning time in comparison with conventional internal combustion engines, so that an approximation of the combustion method has an efficiency-optimal effect Gleichraumvon takes place in which the injected fuel burns as quickly as possible. Due to the short burning time, there is little time for the formation of nitrogen oxides in the combustion chamber 6 or the relatively slow formation of NOx
  • Injection nozzles with higher hydraulic flow rates (HD) than previously assumed can be used, which shorten the burning time and lead to a faster burning process.
  • the previous finding that the hydraulic flow due to excessive soot emissions in internal combustion engines at a maximum of 1000 cm 3 per 60 seconds at an injection pressure of 100 bar and liter displacement per cylinder for truck applications and a maximum of 1900 cm 3 per 60 seconds at an injection pressure of 100 bar and liter displacement per cylinder must be limited for passenger car applications is refuted by the three-fronts combustion process.
  • a particularly high compression ratio of at least 20.3 and preferably at least 20.5 can be realized, and for passenger car applications a compression ratio of about 1 to 2 units can be increased.
  • a particularly high thermal efficiency can be represented.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit zumindest einen Zylinder (2) und einem Kolben (8), wobei der Kolben (8) eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig umlaufenden Kolbenkrone (11) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenstufe (10) aufweist, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur (16) in eine zur Kolbenstufe (10) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenmulde (12) übergeht, mittels eines Einspritzelements (3) gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen (22) sternförmig in einen Brennraum (6) im Zylinder (2) eingespritzt werden, die Einspritzstrahlen (22) an der Strahlteilerkontur (16) jeweils in eine erste Teilmenge (33) von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge (34) von Kraftstoff und in dritte Teilmengen (35) von Kraftstoff aufgeteilt werden, die erste Teilmenge (33) und die zweite Teilmenge (34) eine erste Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront ausbilden und dritte Teilmengen (35) benachbarter Einspritzstrahlen (22) eine dritte Verbrennungsfront (36) ausbilden, wobei bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum (6) das Einspritzelement (3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) für Lkw-Anwendungen von mehr als 1000 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder und für Pkw-Anwendungen von mehr als 1900 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder von Kraftstoff durchströmt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine,
Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und eine solche Verbrennungskraftmaschine sind bereits der DE 10 2011 10 215 A1 und der
DE 10 2006 020 642 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist eine Kraftstoffdirekteinspritzung und eine Selbstzündung auf und ist somit als direkteinspritzende, selbstzündende Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen Zylinder auf, dessen Brennraum seitlich von einer Zylinderwand, axial einerseits von einem Zylinderkopf und axial andererseits von einem im Zylinder translatorisch bewegbar aufgenommenen Kolben begrenzt ist. Die Zylinderwand definiert beispielsweise eine Längsmittelachse des Zylinders. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine ein dem Zylinder zugeordnetes Einspritzelement, welches auch als Injektor oder Einspritzdüse bezeichnet wird. Dabei ist es denkbar, dass das Einspritzelement koaxial zum Brennraum beziehungsweise zumindest im Wesentlichen koaxial zur Längsmittelachse angeordnet ist. Insbesondere ist es denkbar, dass das Einspritzelement zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Zylinderkopf angeordnet ist.
Der Kolben weist eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig umlaufenden Kolbenkrone axial vertieft im Kolben angeordnete Kolbenstufe auf, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur in eine zur Kolbenstufe axial vertieft im Kolben angeordnete Kolbenmulde übergeht. Das Einspritzelement ist so konzipiert, dass es für einen Verbrennungsvorgang gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen sternförmig in den Brennraum einspritzen kann. Im Rahmen des Verfahrens werden somit für einen Verbrennungsvorgang in einem Selbstzündbetrieb der Verbrennungskraftmaschine mittels des Einspritzelements gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen sternförmig in den Brennraum eingespritzt, wobei der jeweilige Einspritzstrahl beispielsweise zumindest im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet sein kann. Das Verfahren ist ein
Verbrennungsverfahren oder Brennverfahren, in dessen Rahmen die jeweiligen
Einspritzstrahlen an der Strahlteilerkontur jeweils in eine erste Teilmenge von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge von Kraftstoff und in jeweilige dritte Teilmengen von Kraftstoff aufgeteilt werden. Mit anderen Worten umfasst der jeweilige Einspritzstrahl Kraftstoff, welcher mittels des Einspritzstrahls direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Die Teilmengen werden daher auch als Kraftstoffteilmengen bezeichnet.
Die erste Teilmenge tritt zumindest im Wesentlichen in die Kolbenmulde ein. Die zweite Teilmenge tritt über die Kolbenstufe zumindest im Wesentlichen in einen Bereich zwischen der Kolbenkrone und dem Zylinderkopf ein. Die dritten Teilmengen breiten sich ausgehend vom jeweiligen Einspritzstrahl beidseitig in Umfangsrichtung des Kolbens in entgegengesetzte Richtungen entlang der Kolbenstufe aus und prallen innerhalb der Kolbenstufe aufeinander. Ferner werden die dritten Teilmengen radial nach innen umgelenkt. Ausbildung und Führung der dritten Teilmengen werden durch das Auftreffen der Einspritzstrahlen auf die Strahlteilerkontur in die Kolbenstufe hervorgerufen. Die erste Teilmenge und die zweite Teilmenge bilden eine erste Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront aus. Infolge der sich von der Kolbenstufe entfernenden dritten Teilmengen wird eine dritte Verbrennungsfront gebildet, die sich im Wesentlichen radial in eine Lücke ausbreitet, die in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Einspritzstrahlen ausgebildet ist. Ein derartiges Verbrennungsverfahren kann auch als„3-Fronten- Brennverfahren" oder als TFC (Triple Front Combustion) bezeichnet werden, da sich im Brennraum jeweils für jeden Einspritzstrahl räumlich im Wesentlichen drei Verbrennungs- beziehungsweise Flammenfronten ausbreiten.
Da die Verbrennungsfronten den zur Verfügung stehenden Raum im Brennraum effektiv nutzen, wird durch das Verbrennungsverfahren das im Brennraum zur Verfügung stehende Frischgas beziehungsweise Frischgas-Abgas-Gemisch zu einem hohen Grad ausgenutzt, was insbesondere die Rußbildung des Verbrennungsvorganges erheblich reduziert. Des Weiteren wird durch die gegenüber den beiden ersten
Verbrennungsfronten zeitverzögert brennende dritte Verbrennungsfront die
Brennraumtemperatur abgesenkt, sodass die Stickoxidbildung (NOvBildung) nicht ansteigt. Zur Ausbildung der dritten Verbrennungsfront treffen die dritten Teilmengen benachbarter Einspritzstrahlen in der Kolbenstufe mit einem großen Impuls aufeinander. Der Impuls der dritten Teilmengen wird aus dem Produkt der Masse der dritten Teilmengen und deren Geschwindigkeit gebildet. Ist der Impuls der dritten Teilmengen ausreichend groß, werden die dritten Teilmengen bei ihrem Aufeinandertreffen in den Brennraum umgelenkt. Dabei können die jeweiligen zusammen umgelenkten dritten Teilmengen eine dritte Verbrennungsfront ausbilden, die im Wesentlichen in Richtung der Längsmittelachse zwischen den jeweiligen Einspritzstrahlen gerichtet ist. Vorteilhafter Weise wird mittels der dritten Verbrennungsfront eine hohe Turbulenz im Brennraum erzeugt, sodass die
Verträglichkeit für in den Brennraum rückgeführtes Abgas steigt, wodurch mittels des erhöhten AGR-Anteils in dem Brennraum die NOx-Emission weiter reduziert werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine
Verbrennungsmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum der vorzugsweise flüssige Kraftstoff das Einspritzelement mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) von mehr als 1000 cm3 (Kubikzentimetern) pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und von mehr als 1900 cm3 pro 60
Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw- Anwendungen durchströmt. Die Erfindung basiert auf einem 3-Fronten-Brennverfahren, in dessen Rahmen die drei Verbrennungsfronten entstehen. Die von Einspritzöffnungen des beispielsweise auch als Injektor oder Einspritzdüse bezeichneten Einspritzelements ausgehenden Einspritzstrahlen treffen auf die Strahlteilerkontur beziehungsweise auf die Kolbenstufe auf und werden so umgelenkt, dass sich die Verbrennungsfronten, welche auch als Flammenfronten bezeichnet werden, ausbreiten, wobei sich die dritte
Verbrennungsfront radial nach innen in eine Lücke zwischen den Einspritzstrahlen ausbildet und dort vorhandene Verbrennungsluft für die Verbrennung nutzt. Dadurch können Rußemissionen besonders gering gehalten werden. Außerdem kann der
Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass der Wirkungsgrad einer eine Kraftstoffdirekteinspritzung und Selbstzündung aufweisenden, das heißt als
direkteinspritzende und selbstzündende Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine durch Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und durch Verkürzung der Brenndauer verbessert werden kann. Bei Steigerung des
Verdichtungsverhältnisses wird der zur Verfügung stehen Brennraum jedoch immer kleiner, so dass weniger Raum für die Flamme zur Verfügung steht und die Strahlen bzw. Flammenfronten die Brennraumwand (Zylinderkopf, Zylinderwand und Kolben) schneller erreichen und dort wegen der niedrigeren Temperatur zu Rußbildung führen, wodurch die Rußemissionen ansteigen. Die Brenndauer kann durch Erhöhung des hydraulischen Durchfluss des Einspritzelements verkürzt werden. Durch Erhöhung des hydraulischen Durchfluss des Einspritzelements wird eine Erhöhung der Einspritzmenge pro Zeiteinheit bewirkt. Eine solche größere Einspritzmenge an Kraftstoff pro Zeiteinheit konnte mit den bisher bekannten Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine ab einem bestimmten Wert nicht mehr vollständig verbrannt werden und führte zu erhöhten
Rußemissionen. Eine Erhöhung des hydraulischen Durchflusses kann durch größere Einspritzöffnungen beziehungsweise durch größere Einspritzöffnungsquerschnitte des Einspritzelements erreicht werden. Bislang ist man davon ausgegangen, dass ein hydraulischer Durchfluss bis maximal 1000 cm3 pro 60 Sekunden bei einem
Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und maximal 1900 cm3 pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen nicht zu einer erhöhten Rußbildung führt. Mit dem 3-Fronten-Brennverfahren ist es nun jedoch möglich bei
Verbrennungskraftmaschinen für Lkw-Anwendungen, die bisherige, bei 1000 cm3 pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder und bei
Verbrennungskraftmaschinen für Pkw-Anwendungen die bisherige, bei 1900 cm3 pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder liegende Grenze des hydraulischen Durchflusses jeweils zu einem höheren Wert zu verschieben, ohne dass es zu einer erhöhten Rußbildung kommt. Durch die durch das 3-Fronten- Brennverfahren realisierbare verbesserte Ausnutzung der in dem Brennraum
vorhandenen Verbrennungsluft kann ein besonders hoher hydraulischer Durchfluss des Einspritzelements realisiert werden. Ferner kann dadurch ein besonders Wirkungsgrad günstiger Betrieb realisiert werden. Insbesondere wurde gefunden, dass der Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen um etwa 1 ,3% aus der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und um etwa 0,6 % aus der Brenndauerverkürzung gesteigert werden kann, ohne dass es zu einer unerwünschten Erhöhung der -Rußemissionen bei konstanten NOx-Emissionen kommt.
Hierbei wird zwischen Verbrennungskraftmaschinen für Lkw-Anwendungen und Pkw- Anwendungen unterschieden. Die hydraulischen Durchflüsse für Einspritzelemente für Verbrennungskraftmaschinen für Lkw-Anwendungen und Pkw-Anwendungen
unterscheiden sich prinzipiell erheblich. Besonderen Einfluss auf einen anwendbaren maximalen hydraulischen Durchfluss eines Einspritzelements hat die Zertifizierungs- und Abgasgesetzgebung für die jeweiligen Kraftfahrzeugtypen. In der Regel werden
Kraftfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 2,80 1 und einer Nutzlast von mehr als 800 kg als ein Lkw betrachtet. Pkw weisen in der Regel ein zulässiges
Gesamtgewicht von max. 2,8 1 auf. Eine Verbrennung für Verbrennungsmotoren für Lkw- Anwendungen wird unter anderem dahingehend entwickelt, dass die Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine eine Schwärzungszahl (SZ) von maximal 0,8 erreicht.
Dagegen wird eine Verbrennung für Verbrennungsmotoren für Pkw-Anwendungen unter anderem dahingehend entwickelt, dass die Rohemissionen der
Verbrennungskraftmaschine die Schwärzungszahl (SZ) einen Wert von maximal 3,0 erreicht. Die Schwärzungszahl SZ ist ein Maß für die Rußemissionen einer
Verbrennungskraftmaschine, die direkt mit dem hydraulischen Durchfluss von
Einspritzelementen zusammenhängt. Diese stark unterschiedlichen Schwärzungszahlen sind durch die unterschiedlichen Zertifizierungs- und Abgasvorschriften bedingt, wobei kundenspezifische Anforderungen wie z.B. eine geforderte spezifische Leistung und ein Anfahrmoment eine große Rolle spielen. Beispielsweise kann eine spezifische Leistung für Lkw-Anwendungen 35 KW pro Liter Hubraum betragen, während eine spezifische Leistung für Pkw-Anwendungen bis zu 100 KW pro Liter Hubraum betragen kann. Dabei ist klar, dass höhere spezifische Leistungen mit einer höheren eingespritzten
Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit erzielt werden kann, so dass insbesondere der hydraulische Durchfluss eines Einspritzelements entsprechend angepasst wird, wodurch bei höheren hydraulischen Durchflüssen (HD) die Schwärzungszahl (SZ) bzw. die Rußemissionen ansteigen. In der Regel wird der hydraulische Durchfluss (HD) normiert angegeben auf ein Kraftstoffvolumen (cm3) pro Zeiteinheit (60 Sekunden) bei einem konstanten Einspritzdruck (100 bar) in einem Zylinder mit einem Liter Hubraum.
Es ist klar, dass auch Kraftfahrzeuge bis beispielsweise zu einem zulässigen
Gesamtgewicht von 3,5 1, insbesondere Transporter, mit einer Verbrennungskraftmaschine ausgerüstet sein können, die ursprünglich für eine Pkw- Anwendung vorgesehen waren. Dabei kann es sein, dass die Implementierung einer Verbrennungskraftmaschine für ursprünglich eine Pkw-Anwendungen in eine Lkw- Anwendung ohne besondere Änderungen der Verbrennung erfolgt, so dass eine
Schwärzungszahl (SZ) dieser Fahrzeuge in Bereich der Pkw-Anwendungen liegt, wodurch Kraftfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von beispielsweise bis zu 3,5t und einer Verbrennungskraftmaschine aus einer ursprünglichen Pkw-Anwendung einer Pkw-Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung zuzuordnen ist.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die
Verbrennungskraftmaschine mit einem dem Brennraum zugeordneten
Verdichtungsverhältnis von mindestens 20, insbesondere von mindestens 20,5, betrieben wird. Da im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die im Brennraum enthaltene Verbrennungsluft besonders gut ausgenutzt werden kann, kann das
Verdichtungsverhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen um ca. zwei Einheiten auf ca. 20,3, insbesondere auf 20,5, erhöht werden, wobei gleichzeitig ein besonders hoher hydraulischer Durchfluss des Einspritzelements realisiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen
Verbrennungskraftmaschinen bei gleichen Ruß und -NOx-Emissionen deutlich gesteigert werden.
Insbesondere können durch das 3-Fronten-Brennverfahren und eine optimierte
Drallströmung, eine gute Luftausnutzung und eine gute Durchmischung von
rückgeführtem Abgas, Luft und Kraftstoff im Brennraum realisiert werden, wobei der thermische Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine durch Steigerung des
Verdichtungsverhältnis ohne nennenswerten Anstieg der Rußemissionen weiter optimiert werden kann. Durch Verwendung des Einspritzelements mit dem hohen hydraulischen Durchfluss kann die Brenndauer im Vergleich zu herkömmlichen
Verbrennungskraftmaschinen deutlich verkürzt werden. Dadurch nähert sich das
Brennverfahren beziehungsweise ein im Brennraum ablaufender Verbrennungsprozess dem idealen Gleichraumprozess an, wodurch der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann. In der Folge können der Kraftstoffverbrauch und somit die C02-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass beim Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum der Kraftstoff das Einspritzelement mit einem hydraulischen Durchfluss von mehr als 1000 cm3 pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und mehr als 1900 cm3 pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen durchströmt.
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer
Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht eines Kolbens der
Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 3a-c jeweils ausschnittsweise eine schematische Halblängsschnittansicht des
Kolbens bei unterschiedlichen Zuständen eines als 3-Fronten-
Brennverfahren ausgebildeten Verbrennungsverfahrens der Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 4a-c jeweils ausschnittsweise eine schematische Draufsicht des Kolbens bei den unterschiedlichen Zuständen des Verbrennungsverfahrens;
Fig. 5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines
Einspritzelements zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, in welchem das Verbrennungsverfahren durchgeführt wird; Fig. 6 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine, wobei im Rahmen des Verfahrens das genannte 3-Fronten-Brennverfahren durchgeführt wird;
Fig. 7 ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum
Betreiben der Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 8 ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum
Betreiben der Verbrennungskraftmaschine; und
Fig. 9 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 1 , die insbesondere auch als Brennkraftmaschine bezeichnet wird und in einem Kraftfahrzeug, und zwar sowohl in einem Nutzfahrzeug als auch in einem Personenkraftwagen, zur Anwendung kommen kann, zumindest einen Zylinder 2 und eine Einspritzdüse 3 eines nicht näher dargestellten Injektors je Zylinder 2. Die Einspritzdüse 3 wird auch als Einspritzelement oder Injektor bezeichnet. Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist in Fig. 1 nur im Bereich eines derartigen Zylinders 2 dargestellt. Grundsätzlich kann die Verbrennungskraftmaschine 1 auch mehr als einen Zylinder 2 aufweisen. Der jeweilige Zylinder 2 ist in einem
Kurbelgehäuse 4 ausgebildet, an dem in üblicher Weise ein Zylinderkopf 5 angeordnet ist.
Im jeweiligen Zylinder 2 ist ein Brennraum 6 seitlich von einer Zylinderwand 7 und axial einerseits vom Zylinderkopf 5 und axial andererseits von einem Kolben 8 begrenzt, der im Zylinder 2 hubverstellbar beziehungsweise translatorisch bewegbar angeordnet oder aufgenommen ist. Die zylindrische Zylinderwand 7 definiert eine Längsmittelachse 9 des Zylinders 2. Die Einspritzdüse 3 ist im Beispiel koaxial zum Brennraum 6 im Zylinderkopf 5 angeordnet.
Entsprechend den Fig. 1 und Fig. 2 ist der Kolben 8 als Stufenkolben ausgestaltet. Ein derartiger Stufenkolben 8 weist eine bezüglich der Längsmittelachse 9 ringförmig umlaufende Kolbenstufe 10, eine bezüglich der Längsmittelachse 9 ringförmig umlaufende Kolbenkrone 11 sowie eine bezüglich der Längsmittelachse 9 koaxial angeordnete Kolbenmulde 12 auf. Die Kolbenstufe 10 ist dabei gegenüber der
Kolbenkrone 11 axial vertieft im Kolben 8 ausgebildet oder angeordnet. Die Kolbenmulde 12 ist gegenüber der Kolbenstufe 10 axial vertieft im Kolben 8 ausgebildet oder angeordnet. Der Querschnitt der Kolbenstufe 10 ist winklig ausgeführt und weist axial eine umlaufende Stufenwand 13 auf, die über eine konkav gekrümmte Übergangswand 14 in einen radial ebenen Stufenboden 15 übergeht. Die Stufenwand 13 geht in die ebene Kolbenkrone 11 über. An den Stufenboden 15 schließt sich ein abgerundeter
Kantenbereich, im Folgenden Strahlteilerkontur 16 bezeichnet, an, die in die tiefer liegende Kolbenmulde 12 übergeht. Sowohl die Stufenwand 13, die Übergangswand 14, der Stufenboden 15 als auch die Strahlteilerkontur 16 sind bezüglich der
Längsmittelachse 9 ringförmig, insbesondere kreisförmig, umlaufend ausgestaltet.
Der Kolben 8 weist außerdem einen Kolbenkegel 17 auf, der koaxial und konzentrisch innerhalb der Kolbenmulde 12 angeformt ist. Der Kolbenkegel 17 besitzt einen
Kegelwinkel 18 und verjüngt sich in Richtung zum Zylinderkopf 5 hin. Eine Kegelspitze 19 ist gegenüber der Kolbenkrone 1 vertieft im Kolben 8 angeordnet. Im
Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Kolbenkrone 11 in einer senkrecht zur
Längsmittelachse 9 verlaufenden Ebene. Auch die Kolbenstufe 10 erstreckt sich entlang ihres wesentlichen Bereichs in einer Ebene, die senkrecht auf der Längsmittelachse 9 steht.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 steht die Strahlteilerkontur 16 radial nach innen zeigend über eine radial äußere Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 etwas hervor. Somit weist die Kolbenmulde 12 einen Hinterschnitt 21 gegenüber der Strahlteilerkontur 16 auf.
Die Strahlteilerkontur 16 ist in Form eines abgerundeten, ringförmig umlaufenden
Vorsprungs zwischen den Stufenboden 15 und der Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 ausgebildet. Ist kein Hinterschnitt 21 vorgesehen, so kann die Strahlteilkontur 16 auch als abgerundete, ringförmig umlaufende, im Wesentlichen einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisenden, Kante zwischen Stufenboden 15 und Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 ausgebildet sein.
Wie Fig. 1 zeigt, ist die Einspritzdüse 3 so konzipiert, dass sie gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen 22 erzeugen kann, die sich sternförmig bzgl. der Längsmittelachse 9 von der Einspritzdüse 3 im Wesentlichen radial in den Brennraum 6 hinein ausbreiten. Wesentlich ist, dass sich die Einspritzstrahlen 22 in zunehmender radialer Entfernung koaxial zur Längsmittelachse 9 ausbreiten. Der jeweilige Einspritzstrahl 22 tritt entlang einer geneigten Längsmittelachse 23 auf, welche eine Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Einspritzstrahls 22 definiert. Die Gesamtheit der Einspritzstrahlen 22 besitzt eine Kegelkontur, die einen Strahlkegelwinkel 24 aufweist. Die einzelnen Einspritzstrahlen 22 breiten sich im Brennraum 6 jeweils keulenförmig aus. Eine entsprechende
Keulenkontur ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Für die nachfolgende Betrachtung werden die einzelnen Einspritzstrahlen 22 sowie die daraus resultierenden weiteren Strahlen bzw. Teilmengen vereinfacht als Pfeile dargestellt. Es ist klar, dass der Einspritzstrahl 22 und die aus dem Einspritzstrahl 22 abtrennenden, einzelnen
Teilmengen jeweils eine sich ausbreitende Kraftstoffdampfwolke beziehungsweise eine Wolke aus Verbrennungsluft und Kraftstoff repräsentieren, die zumindest an ihrer Außenseite bereits mit dem Sauerstoff des Brennraums 6 reagieren kann und so eine Flammenfront beziehungsweise ein brennendes Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Es ist außerdem klar, dass der Einspritzstrahl 22 im Wesentlichen entlang seiner
Längsmittelachse 23 Kraftstoff zunächst in weitgehend flüssiger Form mit sich führt und nur an seinen Rändern mit der Verbrennungsluft im Brennraum 6 ein Luft-Kraftstoff- Gemisch bildet, wobei der flüssige Kraftstoff im Laufe des Verbrennungsvorgangs weiter verdampft und sich mit der Verbrennungsluft mischt.
Nachfolgend wird insbesondere mit Bezug auf Fig. 3 und Fig. 4 ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine beschrieben, wobei im Rahmen des
Verfahrens ein Verbrennungsverfahren, das mit Selbstzündung, insbesondere mit Dieselkraftstoff oder Ähnlichen arbeitet, durchgeführt wird. Das Verbrennungsverfahren wird auch als Brennverfahren bezeichnet. Zur Vorbereitung des Verbrennungsvorgangs erfolgt im jeweiligen Zylinder 2 in herkömmlicher Weise ein Ladungswechsel, so dass im jeweiligen Brennraum 6 anschließend eine Ladung aus Frischluft oder eine Ladung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas vorliegt. Die Ladung aus Frischluft beziehungsweise aus Frischluft und rückgeführtem Abgas im Brennraum 6 ist außerdem mit einem Drall 26 beaufschlagt, der in Fig. 4a bis Fig. 4c durch einen Blockpfeil angedeutet ist. Der Drall 26 beziehungsweise die Drallströmung entspricht somit einer Rotation der Ladung um die Längsmittelachse 9, also einer Strömung in Umfangsrichtung. Im Weiteren werden alle Strömungen beziehungsweise die wesentlichen Richtungsvektoren der einzelnen
Strömungen der Ladung im Brennraum 6 mit Blockpfeilen symbolisiert. Im Weiteren werden der eingespritzte Kraftstoff, also der Einspritzstrahl 22 und die daraus sich abtrennenden Teilmengen, durch einfache Pfeile symbolisiert. Die Pfeile symbolisieren die wesentlichen Richtungsvektoren. Wie in Fig. 1 gezeigt, nähert sich der Kolben 8 im Kompressionshub maximal an den Zylinderkopf 5 an, wodurch axial zwischen der Kolbenkrone 11 und einem der
Kolbenkrone 11 axial gegenüberliegenden Ringbereich 27 des Zylinderkopfs 5 ein
Quetschspalt 28 entsteht, der eine radial gemessene Quetschspaltlänge 29 und eine axial gemessene Quetschspalthöhe 30 aufweist. Die Quetschspaltlänge 29 entspricht dabei im Wesentlichen dem Radialabstand zwischen der Zylinderwand 7 und der Stufenwand 13. Die Quetschspalthöhe 30 entspricht dabei den Axialabstand zwischen dem Ringbereich 27 und der Kolbenkrone 11 im oberen Totpunkt des Kolbens 8.
Im Bereich des oberen Totpunkts erzeugt der Kolben 8 in seiner Bewegung zum
Zylinderkopf 5 hin eine an sich bekannte Quetschspaltströmung 31 , die in den Fig. 3a bis Fig. 3c durch einen Blockpfeil angedeutet ist. Die Quetschspaltströmung 31 ist im
Wesentlichen radial in Richtung der Längsachse 9 hin ausgerichtet. Es ist klar, dass bei einem sich nach vom Zylinderkopf 5 wegbewegenden Kolben 8 keine
Quetschspaltströmung 31 entstehen kann. Allerdings ist auf Grund der Massenträgheit der Ladung im Brennraum 6 beziehungsweise des Anteils der Ladung im Brennraum 6, die von der Quetschspaltströmung 31 beaufschlagt wird, bei abwärts strebenden Kolben 8 die im Kompressionshub gebildete Quetschspaltströmung 31 weiter vorhanden und ist zumindest bis zum Ende der Einspritzung wirksam.
Entsprechend den Fig. 3a und Fig. 4a erzeugt die Einspritzdüse 3 für einen
Verbrennungsvorgang im Selbstzündbetrieb gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen 22, die sich sternförmig in den Brennraum 6 hinein ausbreiten. Die Einspritzstrahlen 22 sind dabei hinsichtlich des Strahlkegelwinkels 24 auf die Stellung des Kolbens 8 im
Einspritzzeitpunkt abgestimmt, derart dass die Einspritzstrahlen 22 außermittig, nämlich zum Hinterschnitt 21 bzw. zur Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 hin versetzt, nicht direkt auf die Strahlteilerkontur 16 auftreffen, so dass sie im Bereich zwischen
Außenwand 20 und Strahlteilkontur 16 liegen. In Fig. 1 wird dies durch die
Längsmittelachse 23 der Einspritzstrahlen 22 bei Beginn des Auftreffens der
Einspritzstrahlen 22 auf die Strahlteilerkontur 16 deutlich gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt liegen die Drallströmung 26, die Quetschspaltströmung 31 und eine Strahlströmung 32 im Brennraum 6 vor. Die Strahlströmung 32 ist eine Strömung der Ladung, die durch ein Mitreißen der die Einspritzstrahlen 22 umgebenden Verbrennungsluft entsteht. Die
Strahlströmung 32 ist durch einen Blockpfeil zwischen dem Einspritzstrahl 22 und dem Zylinderkopf 5 symbolisiert und weist einen deutlichen Richtungsvektor auf, der im
Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 verläuft. Der Drall 26 weist einen deutlichen Richtungsvektor auf, der tangential zur Längsmittelachse 9 beziehungsweise zu Kolben 8 gerichtet ist, symbolisiert durch seinen Blockpfeil. Die Quetschspaltströmung 31 weist einen deutlichen Richtungsvektor auf, der quer zur Richtung der Längsmittelachse 9 verläuft, symbolisiert durch seinen Blockpfeil.
Gemäß Fig. 3b und Fig. 4b wird der auf die Strahlteilerkontur 16 auftreffende
Einspritzstrahl 22 im weiteren Verlauf der Einspritzung in eine erste Teilmenge 33, eine zweite Teilmenge 34 und dritte Teilmengen 35 aufgeteilt. Dabei hat sich der Kolben 8 weiter vom Zylinderkopf 5 beziehungsweise der Einspritzdüse 3 entfernt, so dass der Einspritzstrahl 22 bei seinem Auftreffen auf die Strahlteilerkontur 16 nunmehr in Richtung Mitte der Strahlteilerkontur 16 bzw. zum Stufenboden 15 hin wandert. Die erste
Teilmenge 33 tritt dabei in die Kolbenmulde 12 ein. Die zweite Teilmenge 34 strömt über die Kolbenstufe 10 auf die Kolbenkrone 11 hinauf in Richtung der Zylinderwand 7 und des Zylinderkopf 5 beziehungsweise den Ringbereich 27 des Zylinderkopfes 5. Die dritten Teilmengen 35 strömen in der Kolbenstufe 10 ausgehend von der Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 zueinander entgegengesetzt in der Kolbenstufe 10 entlang. Die dritten Teilmengen 35 strömen bei Auftreffen auf die Stufenwand 13 aufgeteilt aus dem Einspritzstrahl 22 nach links und nach rechts ab. In Fig. 3b bis Fig. 3c sind die
wesentlichen Richtungsvektoren der dritten Teilmengen 35 durch grolle Punkte dargestellt und der Wesentliche Richtungsvektor des Dralls 26 durch einen Kreis mit einem Punkt in der Mitte. In Fig. 4b und Fig. 4c sind dabei die ersten Teilmengen 33 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die erste Teilmenge 33 bildet eine erste wesentliche Flammenfront im Brennraum 6. Die zweite Teilmenge 34 bildet eine zweite wesentliche Flammenfront im Brennraum 6. Dabei hat sich der vom Einspritzstrahl 22 abgetrennte Kraftstoff im Wesentlichen mit der Verbrennungsluft im Brennraum 6 vermischt und entzündet.
Gemäß Fig. 4c können nun im weiteren Verbrennungsablauf zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Einspritzstrahlen 22 innerhalb der Kolbenstufe 10 eine dritte Teilmenge 35 des einen Einspritzspritzstrahls 22 und eine dritte Teilmenge 35 des benachbarten Einspritzstrahls 22 in der Umfangsrichtung aufeinanderprallen und sich zu einer dritten Verbrennungsfront 36 vereinen, der sich radial von der Stufenwand 13 der Kolbenstufe 10 weg, radial nach innen in eine Lücke 37 ausbreitet, die sich in der Umfangsrichtung zwischen je zwei benachbarten Einspritzstrahlen 22 ausbildet. Die sich vereinigenden dritten Teilmengen 35 zweier benachbarter Einspritzstrahlen 22 bilden die dritte wesentliche Flammenfront im Brennraum 6 aus. Somit liegen im Brennraum 6 insgesamt drei wesentliche, sich räumlich ausbreitende Flammenfronten vor, so dass das Verbrennungsverfahren folgerichtig als 3-Fronten- B renn verfahren bezeichnet werden kann.
Zur stabilen Ausbildung der dritten Verbrennungsfront 36 ist es wichtig, dass die dritten Teilmengen 35 genügend Kraftstoffmasse und eine hohe Geschwindigkeit für einen ausreichend hohen Impuls aufweisen. Dies wird durch ein erfindungsgemäßes
Nachlenken des Einspritzstrahls 22 von dem sich zum Zylinderkopf 5 wegbewegenden Kolbens 8 unterstützt. Durch das Nachlenken kann der durch den Einspritzstrahl 22 in den Brennraum 6 eingebrachte Kraftstoff weiterhin so auf die Strahlteilkontur 16 auftreffen, dass der Kraftstoff optimal für die Ausbildung der drei Teilmengen 33, 34, 35 aufgeteilt werden kann. Aus den jeweiligen wesentlichen Richtungsvektoren des Dralls 26, der Quetschspaltströmung 31 und der Strahlströmung 32 ergibt sich
erfindungsgemäß eine resultierende Strömung 38. Die resultierende Strömung 38 weist zumindest einen wesentlichen Richtungsvektor bzw. eine wesentliche
Strömungskomponente auf, die sich im Bereich zwischen Einspritzstrahlen 22 und dem Zylinderkopf 5 ausbildet, in Fig. 3b und Fig. 3c symbolisiert durch einen Blockpfeil 38. Die resultierende Strömung (Blockpfeil 38) trifft gemäß Fig. 3b und Fig. 3c stromauf beziehungsweise strahlauf der Strahlteilerkontur 16 nun genau auf den jeweiligen Einspritzstrahl 22 und lenkt diesen in Richtung zum Kolben 8 bin ab. Hierdurch kann der Einspritzstrahl 22 hinsichtlich seines Auftreffens auf die Strahlteilerkontur 16
gewissermaßen durch die resultierende Strömung 38 nachgelenkt der Bewegung des Kolbens 8 folgen, der sich bereits in seinem Expansionshub befindet und sich
dementsprechend immer weiter vom Zylinderkopf 5 entfernt. Die hier realisierte strömungsdynamische Nachführung beziehungsweise Ablenkung der Einspritzstrahlen 22 in Richtung Kolben 8 erfolgt dabei zeitlich nach dem ersten Auftreffen der
Einspritzstrahlen 22 auf die Strahlteilerkontur 16 immer zur richtigen Zeit.
Zur Verdeutlichung der verschiedenen Strömungen 26, 31 und 32 und der daraus entstehenden resultierenden Strömung 38 beziehungsweise dem in Fig. 3b und Fig. 3c dargestellten wesentlichen Richtungsvektor sind in Fig. 3b alle Strömungen 26, 31 , 32 und 38 in der Darstellung der Blockpfeile gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber ist in Fig. 3c nur die erfindungswesentliche resultierende Strömung 38 eingezeichnet und in Fig. 4c keine Strömung eingezeichnet. Die resultierende Strömung 38 bewirkt, dass die Einspritzstrahlen 22 dem sich vom Zylinderkopf 5 bzw. der Einspritzdüse 3 entfernenden Kolben 8 nachgelenkt wird, indem der Einspritzstrahl 22 mittels der resultierenden Strömung 38 strahlauf der Strahlteilerkontur 16 in Richtung Kolben 8 abgelenkt beziehungsweise gekrümmt wird. In Fig. 3b und Fig. 3c ist jeweils die kontinuierliche Krümmung des Einspritzstrahls 22 der Übersichtlichkeit halber durch einen Strahlknick 39 symbolisiert.
Hervorzuheben ist, dass das 3-Fronten-Brennverfahren ein Verbrennungsablauf gewährleistet, bei dem drei Verbrennungsfronten kontinuierlich mit Kraftstoff
beziehungsweise einem Gemisch aus Kraftstoff und der Ladung im Brennraum 6 bis zum Ende der Einspritzung hin versorgt werden können. Dabei bilden sich die erste
Verbrennungsfront und zweite Verbrennungsfront zuerst aus, gefolgt von der dritten Verbrennungsfront 36. In der zeitlichen Abfolge dieser kontinuierlichen Prozesse überstreicht der Einspritzstrahl 22 die Strahlteilerkontur 16 bis schließlich der
Einspritzstrahl 22 mehr oder weniger genau auf die Strahlteilerkontur 16 in Richtung des Stufenbodens 15 beziehungsweise auf den Stufenboden 15 auftrifft. Im Verlauf dieses Prozesses bildet sich die resultierende Strömung 38 aus, welche die Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 weiter in den Bereich der Strahlteilerkontur 16 zwingt, so dass der Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 nicht die Stufenwand 13 überstreichen kann oder sogar auf die Kolbenkrone 11 treffen kann, wodurch die zweite Teilmenge beziehungsweise Verbrennungsfront 34 relativ klein bleibt und die Zylinderwand 7 nicht wesentlich berührt und eine ausreichend große Kraftstoffmenge den dritten Teilmengen 35 zur Verfügung steht.
Das in Fig. 3a bis Fig. 3c und Fig. 4a bis Fig. 4c verdeutlichte Auftreffen des
Einspritzstrahls 22 auf den Kolben 8 und die Aufteilung eines Einspritzstrahls 22 in seine drei Teilmengen 33, 34, 35 gilt für große Einspritzmengen mit entsprechend langen Einspritzdauern, selbstverständlich in Abhängigkeit von Einspritzdruck und
Einspritzbeginn. Ist die Einspritzmenge kleiner als beispielsweise in einem Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, ist in der Regel auch die Dauer der Einspritzung entsprechend kürzer. Dabei kann es vorkommen, dass der Einspritzstrahl 22 nur teilweise die Strahlteilerkontur 16 überstreicht, wie in Fig. 3b gezeigt, bevor die Einspritzung beendet ist. Dabei wirkt die erfindungsgemäße resultierende Strömung 38 auch auf einen solchen Einspritzstrahl 22, obwohl dieser am Ende seiner Einspritzdauer nicht auf der Strahlteilerkontur 16 zur Kolbenstufe 10 versetzt hin auftrifft. Die Entstehung der dritten Verbrennungsfront 36 kann, wie in Fig. 4c gezeigt, trotzdem erfolgen, da der
Einspritzstrahl 22 eine Keulenkontur 25 aufweist, d. h. eine keulenförmige Gemischwolke mit einer Keulenkontur 25 die Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 umgibt und diese Gemischwolke an der Strahlteilerkontur 6 in die erste Teilmenge 33, die in die Kolbenmulde 12 strömt, und in die zweite Teilmenge 34 und die dritten Teilmengen 35, die in Richtung der Kolbenstufe 10 strömen, aufgeteilt wird.
Die Kolbenmulde 12 unterhalb der Strahlteilerkontur 16 weist einen Hinterschnitt 21 im Bereich der Außenwand 20 auf. Durch den im Wesentlichen radial ausgeformten
Hinterschnitt 21 werden die in die Kolbenmulde 12 eintretenden ersten Teilmengen 33 der jeweiligen Einspritzstrahlen 22 im Bereich des Hinterschnitts 21 umgelenkt, so dass die ersten Teilmengen 33 den Hinterschnitt 21 quer zur Richtung der Längsmittelachse 9 verlassen. Dies führt mindestens zu einer im Wesentlichen zum Kolbenkegel 17 parallelen Ausbreitung der ersten Teilmengen 33. Dabei kann es auch zu einem leichten Ablösen der ersten Teilmenge 33 vom Kolbenkegel 17 kommen, da im Brennraum 6 eine Längsströmung 40 mit einem deutlichen Richtungsvektor der im Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse 9 in Richtung Zylinderkopf 5 gerichtet ist, aufkommen kann, und die ersten Teilmengen 33 in Richtung Zylinderkopf 5 ablenkt. Die Längsströmung 40 ist in Fig. 3b und Fig. 3c mit einem Blockpfeil gekennzeichnet. In Fig. 3b und Fig. 3c ist dieses Ablösen der ersten Verbrennungsfront mit einem vom Kolbenkegel 17 entfernenden Pfeil symbolisiert. Vorteilhafterweise kann damit ein Kontakt der ersten Teilmengen 33 mit dem Kolbenkegel 17 deutlich vermindert werden, so dass den ersten Teilmengen 33 durch einen Kontakt mit dem Kolben 8 im Bereich des Kolbenkegels 17 keine Wärme entzogen werden kann und eine verbesserte Durchmischung mit der im Brennraum 6 befindlichen Ladung erfolgen kann, was den Wirkungsgrad der Verbrennung erneut insgesamt verbessert.
Zur Realisierung des hier vorgestellten 3-Fronten-Brennverfahrens mit zeitlich zur
Position des Kolbens 8 vorgesehenen, passenden Ablenkung des jeweiligen
Einspritzstrahls 22 hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die jeweilige Einspritzdüse 3, sieben bis zwölf, vorzugsweise zehn bis zwölf, insbesondere zehn Einspritzlöcher 41 aufweist, von denen eines exemplarisch in Fig. 5 dargestellt ist.
Dementsprechend kann die jeweilige Einspritzdüse 3 sieben bis zwölf beziehungsweise zehn bis zwölf, vorzugsweise genau zehn Einspritzstrahlen 22 erzeugen.
Die Einspritzlöcher 41 der Einspritzdüse 3 werden auch als Einspritzöffnungen bezeichnet und sind dabei bzgl. der Längsmittelachse 9 so ausgerichtet, dass beispielsweise der Strahlkegelwinkel 24 in einem Winkelbereich von etwa 140° bis etwa 160° liegen kann. Bevorzugt wird jedoch ein Strahlkegelwinkel von 152° ± 1 °. Der Drall 26 bewegt sich zweckmäßig in einem iTheta- Bereich, der sich von etwa 0,3 bis etwa 4,5 und vorzugsweise von etwa 0,8 bis 2,5 erstreckt. Diese Drallzahl iTheta kann in bekannter Weise beispielsweise mit Hilfe der Gleichrichter-Drallmessmethode nach Tippelmann bestimmt werden.
Typische Drallerzeugungsmittel sind dabei die Anordnung und Ausrichtung eines Einlasskanals sowie die Ausgestaltung einer Einlassöffnung. Ebenfalls kann ein Ventilsitz eines Einlassventils zur Drallerzeugung konfiguriert sein. Außerdem ist es bekannt, Drallklappen in Einlasskanälen vorzusehen. Die Möglichkeiten zur Drallerzeugung sind hinlänglich bekannt und werden nicht weiter im Detail diskutiert.
Der Quetschspalt 28 kann zweckmäßigerweise eine Quetschspalthöhe 30 aufweisen, die im Bereich von etwa 0,3% bis etwa 2,5% eines in Fig. 2 mit 42 dargestellten
Kolbendurchmessers liegen kann. Vorzugsweise liegt die Quetschspalthöhe 30 in einem Bereich von 0,5% bis etwa 1 ,2% des Kolbendurchmessers 42. Die Quetschspaltlänge 29 liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 6% bis etwa 22% des
Kolbendurchmessers 42 und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 9% bis etwa 14% des Kolbendurchmessers 42.
Gemäß Fig. 5 besitzt das jeweilige Einspritzloch 41 eine Lochlänge 43 und einen
Lochdurchmesser 44. Ein Verhältnis von Lochlänge 43 zu Lochdurchmesser 44, das in einem Bereich von etwa 2,5 bis etwa 10,0 und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 3,0 bis etwa 7,0 liegt, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Im gezeigten Beispiel von Fig. 5 ist das jeweilige Einspritzloch 41 konisch ausgestaltet, derart, dass es sich von einer Einlassseite 45 bis zu einer Auslassseite 46 verjüngt. Dementsprechend variiert der Lochdurchmesser 44 entlang der Lochlänge 43. Insbesondere kann der Lochdurchmesser 44 an der Einlassseite 45, ggf. stromab einer Verrundung 47, um etwa 2% bis etwa 25%, vorzugsweise um etwa 5% bis etwa 15%, größer sein als der
Lochdurchmesser 44 an der Auslassseite 46. Das in Fig. 5 gezeigte Einspritz loch 41 weist an seiner Einlassseite 45 eine Verrundung 47 auf, die bspw. hydraulisch erosiv hergestellt sein kann.
Eine Längsmittelachse 48 des jeweiligen Einspritzlochs 41 definiert die Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 und schließt mit der Längsmittelachse 9 des Zylinders 2 einen Winkel 49 ein, der halb so groß ist wie der Strahlkegelwinkel 24. Das hier vorgestellte selbstzündende Verbrennungsverfahren ist für direkt einspritzende
Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen. Es lässt sich bevorzugt bei Dieselmotoren realisieren. Grundsätzlich ist auch eine Realisierung des hier vorgestellten
selbstzündenden Verbrennungsverfahrens bei Benzinmotoren und Gasmotoren denkbar, sofern diese mit Direkteinspritzung arbeiten.
Um nun einen besonders wirkungsgradgünstigen Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine, das heißt einen besonders hohen Wirkungsgrad zu realisieren und dabei gleichzeitig die Stickoxid- (NOx-) sowie die Rußemissionen besonders gering halten zu können, ist es im Rahmen des Verfahrens und somit im Rahmen des 3-Fronten-Brennverfahren vorgesehen, dass bei einem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum 6 einer Verbrennungskraftmaschine der Kraftstoff das Einspritzelement (Einspritzdüse 3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) von mehr als 1000 cm3 (Kubikzentimeter) pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und einem hydraulischen Durchfluss (HD) von mehr als 1900 cm3 (Kubikzentimeter) pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen durchströmt. Mit anderen Worten beträgt der hydraulische Durchfluss des Kraftstoffes durch das
Einspritzelement bezogen auf einen Einspritzdruck von 100 bar mehr als 1000 cm3 bzw. 1900 m3 pro 60 Sekunden normiert auf einen Liter Hubraum für einen Zylinder. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Brennraum 6 ein Verdichtungsverhältnis von mindestens 20, insbesondere von mindestens 20,5, für Lkw-Anwendungen aufweist, wobei beispielsweise das Verdichtungsverhältnis, welches auch mit ε bezeichnet wird, beispielsweise 20,3 beträgt. Für Pkw-Anwendungen kann das Verdichtungsverhältnis ebenfalls um etwa 1 bis 2 Einheiten von beispielsweise 15,5 auf 17,5 angehoben werden
Fig. 6 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 50 das Verdichtungsverhältnis des Brennraums 6 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 51 des in Fig. 6 gezeigten Diagramms ist der Wirkungsgrad, insbesondere der thermische Wirkungsgrad rjtn der
Verbrennungskraftmaschine 1 aufgetragen. Ein in das Diagramm eingetragener Verlauf 52 veranschaulicht den thermischen Wirkungsgrad in Abhängigkeit von dem
Verdichtungsverhältnis. Aus Fig. 6 ist erkennbar, dass durch Erhöhen des
Verdichtungsverhältnisses der Wirkungsgrad beziehungsweise thermische Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen ist eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses des Brennraums 6 möglich, da das Drei- Fronten-Brennverfahren auf Grund seiner guten Durchmischung von Frischluft, rückgeführtem Abgas (AGR) und Kraftstoff auch mit hohen Verdichtungsverhältnissen niedrige Rußemissionen liefert. Durch Nutzung des 3-Fronten-Brennverfahrens kann der hydraulische Durchfluss des Einspritzelements deutlich höher als 1000 cm3 pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw- Anwendungen und deutlich höher als 1900 cm3 pro 60 Sekunden bei einem
Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen liegen, ohne dass es zu einer übermäßigen Erhöhung von Stickoxid-und Rußemissionen kommt.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 53 die im Brennraum 6 herrschende Temperatur aufgetragen ist. Auf der Ordinate 54 des in Fig. 7 gezeigten Diagramms sind die im Abgas enthaltenen Stickoxide aufgetragen. Aus Fig. 7 ist anhand eines Verlaufs 63 erkennbar, dass zwar mit steigender Temperatur die Stickoxid-Emissionen zunehmen. Ein übermäßiger Anstieg der Stickoxid-Emissionen im Brennraum 6 kann jedoch durch Nutzung des 3-Fronten-Brennverfahrens in Kombination mit dem hohen
Verdichtungsverhältnis und dem hohen hydraulischen Durchfluss vermieden werden, was aus Fig. 8 erkennbar ist. Fig. 8 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 55 die Zeit aufgetragen ist. Auf der Ordinate 56 des in Fig. 8 gezeigten Diagramms sind die
Stickoxide aufgetragen. Aus Fig. 8 ist anhand eines Verlaufs 58 insbesondere erkennbar, dass die Stickoxide gering gehalten werden können, wenn der in den Innenraum 6 eingespritzte Kraftstoff besonders schnell umgesetzt, das heißt verbrannt werden kann. Durch den Nutzen des 3-Fronten-Brennverfahrens und Einsatz eines Einspritzelements mit hohem hydraulischen Durchfluss kann der in den Brennraum 6 eingespritzte Kraftstoff besonders schnell das heißt in besonders kurzer Zeit umgesetzt werden, sodass trotz des hohen Verdichtungsverhältnisses übermäßig hohe Stickoxid- und Rußemission vermieden werden können. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, ohne dass es zu übermäßig hohen
Stickoxid- und Rußemissionen kommt.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Diagramm, auf dessen Abszisse 57 der Kurbelwinkel
aufgetragen ist. In Fig. 9 veranschaulicht ein Verlauf 59 den Zylinderdruckverlauf einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine, wobei ein Verlauf 60 den
Zylinderdruckverlauf in dem Brennraum 6 der Verbrennungskraftmaschine 1
veranschaulicht. Ferner veranschaulicht ein Verlauf 61 den Brennverlauf und somit die zuvor beschriebene Umsetzung des Kraftstoffes bei einer herkömmlichen
Verbrennungskraftmaschine, wobei ein Verlauf 62 den Brennverlauf der
Verbrennungskraftmaschine 1 und somit die Umsetzung des in den Brennraum 6 eingespritzten Kraftstoffes veranschaulicht. Aus Fig. 9 ist erkennbar, dass durch den hohen hydraulischen Durchfluss des Einspritzelements die Brenndauer im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen deutlich verkürzt werden kann, sodass eine Annäherung des Verbrennungsverfahrens einen wirkungsgradoptimalen Gleichraumprozess erfolgt, in welchem der eingespritzte Kraftstoff möglichst schnell verbrennt. Aufgrund der geringen Brenndauer existiert nur wenig Zeit zur Bildung von Stickoxiden im Brennraum 6 bzw. wird die relativ langsame Bildung von NOx
abgebrochen, da die Verbrennung schneller beendet ist
Durch das beschriebene Verfahren kann das Vorurteil überwunden werden, dass Einspritzelement lediglich bis zu einem bestimmten hydraulischen Durchfluss für Lkwbzw. Pkw-Anwendungen zum Einsatz kommen können. Durch das beschriebene
Verfahren können Einspritzdüsen mit höheren hydraulischen Durchflüssen (HD) als bisher angenommen zum Einsatz kommen, welche die Brenndauer verkürzen und zu einem schnelleren Brennverlauf führen. Die bisherige Erkenntnis dass der hydraulische Durchfluss wegen zu hoher Rußemission bei Verbrennungskraftmaschinen bei maximal 1000 cm3 pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und bei maximal 1900 cm3 pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen begrenzt sein muss wird durch das Drei-Fronten Brennverfahren widerlegt. Des Weiteren kann für Lkw-Anwendungen ein besonders hohes Verdichtungsverhältnis von mindestens 20,3 und vorzugsweise mindestens 20,5, realisiert werden und für Pkw-Anwendungen ein Verdichtungsverhältnis um etwa 1 bis 2 Einheiten angehoben werden. Dadurch kann ein besonders hoher thermischer Wirkungsgrad dargestellt werden.

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit
Kraftstoffdirekteinspritzung und Selbstzündung, bei welchem:
- die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest einen Zylinder (2) aufweist, dessen Brennraum (6) seitlich von einer Zylinderwand (7), axial einerseits von einem Zylinderkopf (5) und axial andererseits von einem im Zylinder (2) translatorisch bewegbar aufgenommenen Kolben (8) begrenzt ist,
- der Kolben (8) eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig
umlaufenden Kolbenkrone (11) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete
Kolbenstufe (10) aufweist, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur (16) in eine zur Kolbenstufe (10) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete
Kolbenmulde (12) übergeht,
- dem Zylinder (2) ein Einspritzelement (3) zugeordnet ist,
- für einen Verbrennungsvorgang in einem Selbstzündbetrieb mittels des
Einspritzelements (3) gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen (22) sternförmig in den Brennraum (6) eingespritzt werden,
- die Einspritzstrahlen (22) an der Strahlteilerkontur (16) jeweils in eine erste
Teilmenge (33) von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge (34) von Kraftstoff und in dritte Teilmengen (35) von Kraftstoff aufgeteilt werden,
- die erste Teilmenge (33) in die Kolbenmulde (12) eintritt, die zweite Teilmenge (34) über die Kolbenstufe (10) in einen Bereich zwischen der Kolbenkrone (11) und dem Zylinderkopf (5) eintritt und die dritten Teilmengen (35) sich ausgehend vom jeweiligen Einspritzstrahl (22) beidseitig in Umfangsrichtung in
entgegengesetzte Richtungen entlang der Kolbenstufe (10) ausbreiten und zwischen zwei benachbarten Einspritzstrahlen (22) innerhalb der Kolbenstufe (10) aufeinander prallen und radial nach innen umgelenkt werden,
- die erste Teilmenge (33) und die zweite Teilmenge (34) eine erste
Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront ausbilden und die jeweils gemeinsam nach innen umgelenkten dritten Teilmengen (35) eine dritte
Verbrennungsfront (36) radial nach innen in eine Lücke (37) zwischen den Einspritzstrahlen (22) ausbilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum (6) das Einspritzelement (3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) für Lkw-Anwendungen von mehr als 1000 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder und für Pkw-Anwendungen von mehr als 1900
Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder von Kraftstoff durchströmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungskraftmaschine (1) in einem Transporter bis zu einem zulässigen Gesamtgewicht von 3,5 1, die ursprünglich für eine Pkw-Anwendungen vorgesehen war, der Pkw-Anwendung zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungskraftmaschine (1) für Lkw-Anwendungen mit einem dem
Brennraum (6) zugeordneten Verdichtungsverhältnis von mindestens 20, insbesondere von mindestens 20,5, betrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungskraftmaschine (1) für Pkw-Anwendungen mit einem dem
Brennraum (6) zugeordneten Verdichtungsverhältnis um 1 bis 2 Einheiten erhöht betrieben wird.
5. Verbrennungskraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei die
Verbrennungskraftmaschine (1) insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei: - die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest einen Zylinder (2) aufweist, dessen Brennraum (6) seitlich von einer Zylinderwand (7), axial einerseits von einem Zylinderkopf (5) und axial andererseits von einem im Zylinder (2) translatorisch bewegbar aufgenommenen Kolben (8) begrenzt ist,
- der Kolben (8) eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig
umlaufenden Kolbenkrone (11) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete
Kolbenstufe (10) aufweist, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur (16) in eine zur Kolbenstufe (10) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete
Kolbenmulde (12) übergeht,
- dem Zylinder (2) ein Einspritzelement (3) zugeordnet ist,
- für einen Verbrennungsvorgang in einem Selbstzündbetrieb mittels des
Einspritzelements (3) gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen (22) sternförmig in den Brennraum (6) eingespritzt werden,
- die Einspritzstrahlen (22) an der Strahlteilerkontur (16) jeweils in eine erste
Teilmenge (33) von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge (34) von Kraftstoff und in dritte Teilmengen (35) von Kraftstoff aufgeteilt werden,
- die erste Teilmenge (33) in die Kolbenmulde (12) eintritt, die zweite Teilmenge (34) über die Kolbenstufe (10) in einen Bereich zwischen der Kolbenkrone (1 1) und Zylinderkopf (5) eintritt und die dritten Teilmengen (35) sich ausgehend vom jeweiligen Einspritzstrahl (22) beidseitig in der Umfang srichtung in
entgegengesetzten Richtungen entlang der Kolbenstufe (10) t und zwischen zwei benachbarten Einspritzstrahlen (22) innerhalb der Kolbenstufe (10) die jeweiligen dritten Teilmengen (35) aufeinander prallen und radial nach innen umgelenkt werden,
- die erste Teilmenge (33) und die zweite Teilmenge (34) eine erste
Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront ausbilden und die jeweils gemeinsam nach innen umgelenkten dritten Teilmengen (35) eine dritte
Verbrennungsfront (36) radial nach innen in einer Lücke (37) zwischen den Einspritzstrahlen (22) ausbilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum (6) der Kraftstoff das
Einspritzelement (3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) für Lkw- Anwendungen von mehr als 1000 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder und für Pkw- Anwendungen von mehr als 1900 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder durchströmt.
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