WO2019144169A1 - Verfahren zum betreiben einer otto-brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • DE 10 2012 002 315 A1 describes a spark-ignited engine and a method for the control thereof, wherein, depending on the engine load range, the controller sets the combustion mode to a compression-ignition mode or a spark-ignition mode.
  • the internal combustion engine is operated with an air-fuel ratio l of 1.
  • the fuel pressure and the time of fuel injection and ignition are also controlled. From this publication, it is known that by injecting the fuel with a comparatively high fuel pressure of about 40 MPa and above, at a time near the upper compression dead center, the combustion time can be shortened and hence the combustion stability can be improved.
  • the combustion chamber has a thermally insulating element which forms at least a part of the inner surface of the combustion chamber.
  • the inner surface of the combustion chamber formed by the thermally insulating element can be wetted with water by means of an injection device.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to increase the efficiency without increasing the risk of irregular combustion and knocking phenomena.
  • this is achieved in that in at least one operating region of the internal combustion engine the fuel is injected into the combustion chamber between 180 °, preferably 120 °, particularly preferably 90 ° and 0 °, crank angle before the top dead center of combustion, in that at least two injection jets of the fuel concentrate on substantially parallel to the cylinder axis formed approximately diametrically with respect to the cylinder axis - trough walls of a preferably approximately circular piston recess of the piston meet, wherein the beam axes of the two injection jets - in a cylinder axis-containing sectional view considered - an angle of more than 30 °, preferably over 60 °, in particular over 80 °, particularly preferably over 100 ° include, and that the heat of combustion in the combustion chamber by at - At least a thermal insulation and / or coating is retained.
  • the injection of the fuel takes place very late and immediately before the ignition of the mixture.
  • the entire injection takes place before the time of ignition.
  • the mixture formation is predominantly completed at the time of ignition.
  • Predominantly completed means that more than 90%, preferably at least 95% of the fuel is mixed with air.
  • At the time of ignition there is approximately a homogeneous mixture, in particular a quasi-homogeneous mixture in the cylinder.
  • quasi-homogenous means that in a central region of the combustion chamber above the piston recess a zone with homogeneous mixture is formed, and radially outside this central region an annular region with a zone with air or a lean base mixture is formed.
  • the combustion takes place premixed combustion, so there is no stratified combustion or diffusion combustion.
  • the premixed combustion is very russarmarm.
  • the exhaust gas has a quasi-homogeneous composition with a content of CO ⁇ l%, in particular between 0.6-0, 8%, and a content of Ü 2 ⁇ 1%.
  • the fuel is injected at an injection pressure of more than 900 bar, preferably over 1000 bar.
  • the fuel which is injected with a high injection pressure and in particular flows supercritically, causes high turbulences in the combustion chamber and thus enables very rapid mixture formation.
  • the supercritically flowing fuel is in a thermodynamic state, in which the densities of the liquid phase and the gas phase are equalized.
  • the fuel is injected simultaneously into the combustion chamber via at least six injection jets. This allows a uniform distribution of the fuel in the combustion chamber.
  • fuel is injected via an injection jet on both sides of the ignition location of the ignition device, preferably at least two injection jets - viewed in plan view - an angle of approximately between 50 ° and 80 ° include.
  • At least one injection jet from the ignition has a defined distance, which is between 0.5 mm and 2.5 mm.
  • the fuel injection is effected by a single injection per working cycle and cylinder immediately before the top dead center of the combustion.
  • the fuel is injected at least two times, with at least one last injection taking place immediately before the top dead center of the combustion.
  • At least two injections-preferably as a doublet-are carried out in the compression stroke it is provided that at least two injections in the intake stroke and at least one injection in the compression stroke are performed.
  • the fuel is preferably injected over a period of at most 50 °, preferably 30 °, particularly preferably 20 °, crank angle.
  • a further increase in the thermal efficiency can be achieved when the internal combustion engine according to the Miller or Atkinson cycle - with early or late inlet closure - is operated.
  • the internal combustion engine is operated with a tumble number of at most 1.
  • the geometric compression ratio is preferably between 12 and 18.
  • At least one point in time during at least one working cycle water is added to the intake air or the fuel or is supplied to the combustion chamber.
  • the water can be injected into the intake manifold or the intake ports or directly into the combustion chamber or fed as an emulsion together with the fuel.
  • the fuel injection device has at least two injection openings whose center axes-viewed in a side view of the fuel injection device-include an angle of more than 30 °, preferably more than 60 °, in particular more than 80 °, particularly preferably more than 100 °, wherein the fuel injection device is arranged and the piston is formed so that in a fuel injection in a crank angle range between 180 °, preferably 120 °, more preferably 90 ° and 0 ° crank angle before the top dead center of the combustion, the injection jets of the two injection ports on substantially - formed parallel to the cylinder axis, diametrically with respect to the cylinder axis opposite - Mulden walls of a preferably circular Kolbenmulde the piston meet, at least one adjacent to the combustion chamber wall has a thermal insulation.
  • the thermal insulation is expediently arranged in the region of the combustion chamber-side piston surface-or parts of the piston surface-and / or in the region of a combustion chamber cover surface formed by a cylinder head-preferably a roof-shaped combustion chamber ceiling-or parts of the combustion chamber ceiling. Furthermore, the thermal insulation - piston side and / or cylinder side - may be arranged in the region of the top land of the piston. As a result, heat losses can be reduced.
  • the piston preferably has a central elevation in the middle of the, for example, circular piston recess, the elevation extending into the combustion chamber. Similar pistons are known from diesel internal combustion engines.
  • the fuel injection device has several - for example six - injection openings. At least two injection openings of the fuel injection devices are expediently arranged so that fuel can be injected via an injection jet on both sides of the ignition location of the ignition device.
  • the center axes of the injection openings of the two injection jets - viewed in plan view - include an angle of approximately between 50 ° and 80 °.
  • the fuel injection device and the ignition device are arranged so that at least one injection jet from the ignition of the ignition device has a defined distance, which is between 0 mm and 2.5 mm.
  • the fuel injection device can be controlled via an electronic control unit in such a way that the fuel can be injected at least two times during a working cycle, with at least one last injection taking place immediately before the top dead center of the combustion. At least two injections can be carried out in the compression stroke immediately after each other.
  • control unit condition the control unit so that at least two injections in the intake stroke and at least one injection in the compression stroke can be carried out.
  • the fuel-air mixture is cooled by the evaporated evaporative energy, thus reducing the tendency for irregular combustion and knocking.
  • the cooling of the fuel-air mixture can be further increased if water can be supplied to the intake air or fuel via a water feed device or can be supplied to the combustion chamber.
  • a water injection device can lead, for example, into the inlet collector, into the individual inlet channels or into the combustion chamber.
  • water may be added to the fuel and a fuel-water emulsion may be formed. This fuel-water emulsion can be injected into the combustion chamber via the fuel injection device.
  • the control of the injection can be advantageously conditioned so that for each injection of the fuel over a period of a maximum of 50 °, preferably 30 °, particularly preferably 20 °, crank angle KW can be injected.
  • the combustion chamber and the intake ducts should be designed so that the tumble number (swirl number for the tumble flow) in the combustion chamber is a maximum of 1.
  • the internal combustion engine according to the Miller or Atkinson cycle with early or late inlet closure is operable.
  • An early closing of the intake valves can be made possible, for example, by a variable valve drive.
  • At least one ignition device is designed as a prechamber spark plug. This allows a further increase in the burning rate and the efficiency of reducing the tendency to knock.
  • FIG. 1 shows a cylinder of an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention in a first embodiment in a longitudinal section;
  • FIG. 2 shows a cylinder of an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention in a second embodiment in a longitudinal section;
  • FIG. 3 shows a cylinder of an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention in a third embodiment in a longitudinal section;
  • FIG. 4 shows a cylinder of an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention in a fourth embodiment in a longitudinal section;
  • FIG. 5 shows the cylinder in a section along the line IV-IV in Figure 1, 2, 3 or 4 ..;
  • FIG. 6 injection events when carrying out the method according to the invention in various variants of the invention.
  • Fig. 7 shows the cylinder of Fig. 4 in a longitudinal section with indicated
  • FIGS. 1 to 4 each schematically illustrate a cylinder 1 of an Otto internal combustion engine, in which a reciprocating piston 2 is displaceably arranged.
  • the one piston recess 3 having piston 2 acts via a connecting rod not shown on a crankshaft.
  • a combustion chamber 6 is formed between the piston 2 and the roof-shaped combustion chamber ceiling 5 formed by a cylinder head 4.
  • a fuel injection device 7 and an ignition device 8 - for example a conventional spark plug with electrodes opening directly into the combustion chamber 6 - open centrally into the combustion chamber 6.
  • the ignition device 8 can also be embodied as an antechamber spark plug with an integrated prechamber, in which the electrodes are arranged, the prechamber being connected to the combustion chamber 6 via a plurality of openings. It is also possible to provide more than one fuel injection device 7 and / or more than one ignition device 8 per cylinder 1.
  • the axis 7a of the fuel injection device 7 may be arranged inclined to the cylinder axis la.
  • the axis 8a of the ignition device 8 may be inclined to the cylinder axis la.
  • the angle of inclination ⁇ between the axis 7a and the cylinder axis 1a is for example approximately 15 °
  • the angle of inclination ⁇ between the axis 8a and the cylinder axis 1a is approximately 10 °, for example.
  • the inclination angles ⁇ , ⁇ may preferably be between 0 ° and 30 °, more preferably between 0 ° and 15 °.
  • the injection location 7b of the fuel injection device 7 and the ignition location 8b of the ignition device 8 are arranged close to the cylinder axis la.
  • the distance 7c between the injection location 7b and the cylinder axis 1a here is less than a quarter of the radius R of the cylinder 1. The same applies to the distance 8c between the ignition 8b and the cylinder axis la.
  • the fuel injection device 7 is designed as a multi-hole injection device in order to inject the fuel into the combustion chamber 6 via a plurality of injection openings (not shown) in a plurality of injection jets 9.
  • the central axes 10 of two injection openings of the fuel injection device 7 for approximately diametrically opposed injection jets 9 span - viewed in a side view of the fuel injection device shown in FIGS. 1 and 2 - an angle y of more than 30 °, preferably more than 60 °, in particular over 80 °, particularly preferably over 100 °, on.
  • This angle y corresponds to the beam angle subtended by the beam axes of the two approximately diametrically opposite injection jets 9. In the illustrated embodiment, the angle y is about 110 °.
  • the radius r of the substantially circular piston recess is between 0.7 and 0.9 times the piston radius R.
  • the piston recess 3 has depression walls 31 facing away from the piston edge 21, which are essentially parallel to the cylinder axis 1a are formed.
  • the fuel injection in the case of a single injection
  • the last fuel injection in the case of repeated injection
  • central axes 10 injection openings or the jet axes of the injection jets 9 on the mull walls 31 are directed. In this way, the injection jets 10 return the longest possible path within the combustion chamber 6 before they strike the piston 2.
  • the fuel can thus evaporate as best as possible.
  • the fuel injection device 7 has a star-shaped spray pattern of the injection jets 9, six injection openings being provided in the exemplary embodiment shown.
  • Reference symbol 11 designates gas exchange valves arranged in the combustion chamber roof 5. At least two injection openings of the fuel injection device 7 and arranged so that on both sides of the ignition point 8b of the ignition device 8 fuel is injected via a respective injection jet 9.
  • the central axes 10 of these injection ports include an angle d, which is approximately between 50 ° and 80 °.
  • the injection jets 9 have a distance a from the ignition point 8b, which is between 0 mm and 2.5 mm. This ensures a safe ignition of the fuel-air mixture.
  • thermal isolations 12 are in the region of the piston surface 22 - ie in the region of the piston depression 3 and in the region between the piston depression 3 and the piston edge 21 - in the area of the combustion chamber ceiling 5 and in the region of the cylinder 1 adjoining the combustion chamber 6 , But also in the area of the top land 23 of the piston 2 and in a region of the cylinder 1 opposite the land land 23. In Fig. 2, the insulation 12 is not shown.
  • FIG. 2 differs from FIG. 1 in that here the piston recess 3 has a central elevation 32. Furthermore, the combustion chamber 6 facing areas of the piston surface 22 between the piston recess 3 and the piston edge 21 as Quetsch lake 24 whose inclination and shape substantially corresponds to the roof pitch of the roof-shaped combustion chamber ceiling 5.
  • the corresponding cylinder-head-side pinch surfaces of the combustion chamber ceiling 5 are designated by reference numeral 25.
  • Piston-side pinch surfaces 24 between the piston recess 3 and the piston edge 21 on the one hand and the cylinder head-side pinch surfaces 25 of the combustion chamber cover 5 on the other hand are also provided in the third embodiment of the invention shown in FIG.
  • the Quetschinci 24, 25 are flat and parallel formed to the cylinder head density plane e.
  • the combustion chamber ceiling 5 is roof-shaped.
  • FIG. 4 shows a further embodiment variant of the invention with areas of the piston surface 22 formed between the piston recess 3 and the piston rim 21 as squeezing surfaces 24, the squeezing surfaces 24 at least partially following the shape of the roof-shaped combustion chamber ceiling 5.
  • the pinch surfaces 24 and the corresponding cylinder-head-side pinch surfaces 25 of the combustion chamber cover 5 are slightly curved in FIG. 4, wherein the slope of the piston surface 22 or the combustion chamber cover 5 is less in the region of the piston edge 21 or cylinder edge than in one of the piston crowns Cylinder axis la nearer area.
  • thermal insulation may also be provided in the embodiments shown in FIGS. 2 to 4.
  • the internal combustion engine can also operate at least approximately adiabatically and with a lean air / fuel ratio l> 1 and the fuel in the compression stroke very late near top dead center TDC of the combustion with a very high injection pressure of more than 500 bar, in particular over 900 bar. For example, 1000 bar, be injected.
  • the injection of the fuel takes place very late and immediately before the ignition of the mixture.
  • the entire injection takes place before the time of ignition.
  • Mixture formation is largely complete at the time of ignition, with more than 90%, preferably at least 95% of the fuel mixed with air.
  • At the time of ignition there is an approximately homogeneous mixture, in particular a quasi-homogeneous mixture in the cylinder.
  • a substantially annular region 41 with a zone with air or a lean base mixture is formed, as shown in Fig. 7 and Fig. 8.
  • the premixed combustion takes place with very low levels of soot.
  • the exhaust gas has a quasi-homogeneous composition with a content of CO ⁇ l%, in particular between 0.6-0, 8%, and a content of 0 2 ⁇ 1%.
  • the internal combustion engine can be operated according to the Miller or Atkinson cycle with an early or late inlet closure.
  • the intake ports of the internal combustion engine and the combustion chamber 6 are designed so that a low tumble number, in particular a Tumble number ⁇ 1 is achieved.
  • the internal combustion engine can operate according to the two-stroke process or by the four-stroke process.
  • the fuel injection E can take place once or several times, as shown schematically in FIGS. 6a to 6c.
  • the injection events E are plotted against the crank angle for one working cycle in each case, the top dead centers being designated by TDC and the bottom dead centers by BDC.
  • 6a shows a variant of the method according to the invention with a single fuel injection E during the compression stroke.
  • Fig. 6b shows a variant of the method according to the invention with two times fuel injection E during the compression stroke.
  • 6c shows a variant of the method according to the invention with three times fuel injection E, wherein the first two fuel injections E occur during the intake stroke and a fuel injection E during the compression stroke.
  • one or more injections may be provided in the intake stroke.
  • the individual injections in the compression stroke and in the suction stroke can have different quantity distributions in the ratio of between 10/90 and 90/10. Even with more than two injection events, the fuel quantities can be divided differently. For example, the amount of distribution for three injection events may be 10/25/65 or 60/30/10.

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Abstract

Bei einer Otto-Brennkraftmaschine, welche zumindest einen in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben aufweist, wird in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine pro Zylinder Kraftstoff über zumindest eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung zentral in einen Brennraum eingespritzt und über zumindest eine Zündeinrichtung zentral im Brennraum gezündet. Der Kraftstoff wird mit einem Einspritzdruck über 500 bar in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung in den Brennraum eingespritzt und die Brennkraftmaschine mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis λ≥1 betrieben. In zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff zwischen 180° und 0° vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung so in den Brennraum eingespritzt, dass zumindest zwei Einspritzstrahlen des Kraftstoffes auf im Wesentlichen gegenüberliegende Muldenwände (3a) einer Kolbenmulde des Kolbens treffen, wobei die Strahlmittelachsen der beiden Einspritzstrahlen - in einer die Zylinderachse beinhaltenden Schnittansicht betrachtet - einen Winkel von über 60° einschließen. Durch zumindest eine thermische Isolierung und/oder Beschichtung wird die Verbrennungswärme im Brennraum zurückgehalten.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, welche zumindest einen in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brenn- raum grenzenden Kolben aufweist, wobei in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine pro Zylinder Kraftstoff über zumindest eine Kraftstoffei n- spritzeinrichtung annähernd zentral in den Brennraum eingespritzt und über zu- mindest eine Zündeinrichtung annähernd zentral im Brennraum gezündet wird, wobei der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung in den Brenn- raum eingespritzt und die Brennkraftmaschine mit einem Luft- Kraftstoffverhältnis l=1 oder l> 1 betrieben wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Otto- Brenn kraft- maschine zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der EP 2 239 446 Al ist es bekannt, eine Otto-Brennkraftmaschine in Abhän- gigkeit von der Lastanforderung nach einem HCCI-Verfahren (HCCI = Homogenous Charge Compression Ignition) mit funkenunterstützter homogener Kompressions- zündung des Kraftstoffes oder konventionell mit Funkenzündung zu betreiben, um den Wirkungsgrad zu steigern und die Emissionen zu verringern. Dabei wird zur Verminderung des Verbrennungsgeräusches vorgeschlagen, den Kraftstoff mit einem hohen Einspritzdruck über 50MPa über eine Mehrdüsen-Kraftstoffeinspritz- einrichtung mehrfach einzuspritzen, wobei die letzte Einspritzung zu einem späten Zeitpunkt des Verdichtungstaktes erfolgt. Die Brennkraftmaschine wird mit einem Kraftstoff- Luftverhältnis l von mindestens 2 betrieben.
Die DE 10 2012 002 315 Al beschreibt einen fremdgezündeten Motor und ein Ver- fahren zu dessen Steuerung, wobei in Abhängigkeit vom Motorlastbereich die Steuerung die Verbrennungsbetriebsart auf eine Betriebsart mit Zündung durch Verdichtung oder eine fremdgezündete Betriebsart festlegt. Die Brennkraftma- schine wird mit einem Kraftstoff- Luftverhältnis l von 1 betrieben. Dabei werden auch der Kraftstoffdruck und die Zeit der Kraftstoffeinspritzung und Zündung ge- steuert. Aus dieser Veröffentlichung ist es bekannt, dass durch Einspritzung des Kraftstoffes mit einem vergleichsweise hohen Kraftstoffdruck von etwa 40 MPa und darüber, zu einer Zeit nahe dem oberen Verdichtungstotpunkt, die Verbrennungs- dauer verkürzt und damit die Verbrennungsstabilität verbessert werden kann.
Weiters ist es aus der WO 08/157823 Al bekannt, eine Haupteinspritzung bei Kraftstoffdrücken von 1000 bar und darüber mit einem Einspritzbeginn im Kurbel- winkelbereich zwischen -10° und 20° des oberen Totpunktes im HCCI- oder PCCI- Betrieb (PCCI- Premixed Charge Compression Ignition) durchzuführen. Weiters ist aus dieser Druckschrift bekannt, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit zu verwen- den, bei der diametral gegenüberliegende Einspritzstrahlen für späte Kraftstoffei n- spritzung einen Strahlwinkel zwischen 120° und 150° aufspannen. Das Verdich- tungsverhältnis beträgt zwischen 10 und 16, das Drallverhältnis liegt zwischen 0 und 1,5.
Brennkraftmaschinen mit beispielsweise durch eine Keramikschicht thermisch iso- lierten Komponenten sind aus der US 2017 145 914 A bekannt.
Aus der DE 10 2017 113 523 Al ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Brennraum ein thermisch isolierendes Element aufweist, welches zumindest einen Teil der Innenfläche des Brennraums ausbildet. Die durch das thermisch isolie- rende Element gebildete Innenfläche des Brennraums ist mittels einer Einspritz- vorrichtung mit Wasser benetzbar.
Konventionelle Otto- Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise Maßnahmen zur Klopfbegrenzung auf. Kraftstoffeigenschaften sowie zeitliche Randbedingungen für die Gemischaufbereitung und die Flammfrontausbreitung begrenzen das Verdich- tungsverhältnis bei Otto-Brennkraftmaschinen. Aufgrund des hohen Druckes und der hohen Temperatur im Brennraum kann es zu einer Selbstzündung eines Teiles des Gemisches mit starkem Druckanstieg kommen (Klopfen). Derartige unkontrol- lierte Selbstzündung kann zu schweren Schäden an der Brennkraftmaschine füh- ren. Weiters kann sogenannte irreguläre Verbrennung (Zündung des Gemisches vor Zünden durch die Zündeinrichtung) zu Schäden der Brennkraftmaschine füh- ren.
Es ist bekannt, dass durch Wärmeisolation der Wirkungsgrad einer Brennkraftma- schine erhöht werden kann. Durch zumindest näherungsweise adiabate Motoren wären theoretisch Wirkungsgrade über 50% erzielbar. Nachteilig ist, dass derar- tige Motoren äußerst anfällig für irreguläre Verbrennung und Klopferscheinungen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es diese Nachteile zu vermeiden und den Wirkungsgrad ohne Ansteigen des Risikos für irreguläre Verbrennung und Klopferscheinungen zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass in zumindest einem Betriebsbe- reich der Brennkraftmaschine der Kraftstoff zwischen 180°, bevorzugt 120°, be- sonders bevorzugt 90° und 0° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Ver- brennung so in den Brennraum eingespritzt wird, dass zumindest zwei Einspritz- strahlen des Kraftstoffes auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausge- bildete, etwa diametral bezüglich der Zylinderachse gegenüberliegende - Mulden- wände einer vorzugsweise annähernd kreisförmigen Kolbenmulde des Kolbens treffen, wobei die Strahlmittelachsen der beiden Einspritzstrahlen - in einer die Zylinderachse beinhaltenden Schnittansicht betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, insbesondere über 80°, besonders vorzugsweise über 100°, einschließen, und dass die Verbrennungswärme im Brennraum durch zumin- dest eine thermische Isolierung und/oder Beschichtung zurückgehalten wird.
Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt sehr spät und unmittelbar vor der Zün- dung des Gemisches. Dabei erfolgt die gesamte Einspritzung vor dem Zeitpunkt der Zündung. Die Gemischbildung ist zum Zeitpunkt der Zündung vorwiegend ab- geschlossen. Vorwiegend abgeschlossen bedeutet, dass mehr als 90%, vorzugs- weise mindestens 95% des Kraftstoffes mit Luft vermischt sind. Zum Zeitpunkt der Zündung liegt annähernd ein homogenes Gemisch, insbesondere ein quasiho- mogenes Gemisch im Zylinder vor. "Quasihomogen" bedeutet in diesem Zusam- menhang, dass in einem zentralen Bereich des Brennraumes über der Kolben- mulde eine Zone mit homogenem Gemisch, und radial außerhalb dieses zentralen Bereichs ein ringförmiger Bereich mit einer Zone mit Luft oder einem mageren Grundgemisch ausgebildet ist. Die Verbrennung erfolgt vorgemischt (premixed combustion), es erfolgt also keine Schichtverbrennung oder Diffusionsverbren- nung. Dies hat den Vorteil, dass auf Grund der Nachreaktion zwischen Sauerstoff - 02 und Ruß - C zu CO2 die vorgemischte Verbrennung sehr russarm erfolgt. Auch das Abgas weist eine quasihomogene Zusammensetzung mit einem Gehalt an CO< l%, insbesondere zwischen 0,6-0, 8%, und einem Gehalt an Ü2<1% auf.
Durch den späten Einspritzzeitpunkt und den hohen Einspritzdruck wird die Ge- mischbildungs- und Verbrennungsdauer stark verkürzt. Zusammen mit dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis und dem Auftreffen der Kraftstoffstrahlen auf die im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse verlaufenden Muldenwänden werden Klopferscheinungen, sowie irreguläre Selbstzündungen, bzw. Glühzündun- gen zuverlässig verhindert. Dadurch ist es möglich den Brennraum zu isolieren, ohne dass es zu einem Ansteigen der Gefahr von Klopferscheinungen, sowie irre- gulären Selbstzündungen, bzw. Glühzündungen kommt. Durch den thermisch iso- lierten Brennraum können adiabate Zustandsänderungen angenähert werden, was eine bedeutende Steigerung des thermischen Wirkungsgrades ermöglicht.
Vorzugsweise wird dabei der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 900 bar, vor- zugsweise über 1000 bar, eingespritzt. Der mit hohem Einspritzdruck eingespritzte und insbesondere überkritisch einströmende Kraftstoff verursacht hohe Turbulen- zen im Brennraum und ermöglicht somit eine sehr schnelle Gemischbildung. Der überkritisch einströmende Kraftstoff befindet sich dabei in einem thermodynami- schen Zustand, bei welchem die Dichten der flüssigen Phase und der Gasphase angeglichen sind. In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kraftstoff über zumindest sechs Einspritzstrahlen gleichzeitig in den Brennraum eingespritzt wird. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum.
Um eine rasche Entflammung des Gemisches zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn auf beiden Seite des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl eingespritzt wird, wobei vorzugsweise zumindest zwei Einspritz- strahlen - im Grundriss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen.
Um einerseits eine rasche Zündung des Gemisches zu ermöglichen und insbeson- dere ein Auslöschen des Zündfunkens zu vermeiden, ist es günstig, wenn zumin- dest ein Einspritzstrahl vom Zündort einen definierten Abstand aufweist, welcher zwischen 0,5 mm und 2,5 mm beträgt.
In einer einfachen Ausführung ist vorgesehen, dass die Kraftstoffeinspritzung durch eine einzige Einspritzung pro Arbeitszyklus und Zylinder unmittelbar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt. Für eine gleichmäßige Gemisch- aufbereitung ist es allerdings günstiger, wenn der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten eingespritzt wird, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittel- bar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass zumindest zwei Einspritzungen - vorzugsweise als Doublette - im Verdichtungstakt durchge- führt werden. Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zumindest zwei Einspritzungen im Ansaugtakt und zumindest eine Einspritzung im Verdich- tungstakt durchgeführt werden.
Bei jeder Einspritzung wird der Kraftstoff bevorzugt über eine Dauer von maximal 50°, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20°, Kurbelwinkel eingespritzt.
Eine weitere Steigerung des thermischen Wirkungsgrades lässt sich erzielen, wenn die Brennkraftmaschine nach dem Miller- oder Atkinson-Kreisprozess - mit frühem oder spätem Einlassschluss - betrieben wird.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine mit einer Tumble-Zahl von maximal 1 betrieben wird. Das geometrische Verdichtungsver- hältnis beträgt vorzugsweise zwischen 12 und 18.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zu zumindest einem Zeitpunkt während zumindest eines Arbeitszyklus Wasser der Ansaugluft oder dem Kraftstoff beigemengt oder dem Brennraum zugeführt wird. Das Wasser kann dabei in den Einlasssammler oder die Einlasskanäle oder direkt in den Brenn- raum eingespritzt werden oder als Emulsion zusammen mit dem Kraftstoff zuge- führt werden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Otto-Brenn- kraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brennraum grenzenden Kolben, mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzein- richtung und zumindest einer Zündeinrichtung pro Zylinder, wobei die Kraft- stoffeinspritzeinrichtung und/oder die Zündeinrichtung zentral in den Brennraum einmünden, und wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgebildet ist um Kraft- stoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar, in der zweiten Hälfte eines Verdich- tungstaktes vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung in den Brennraum einzu- spritzen und die Brennkraftmaschine mit einer Luftzahl l=1 oder l> 1 zu betreiben. Erfindungsgemäß weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung zumindest zwei Einspritz- öffnungen auf, deren Mittelachsen - in einer Seitenansicht auf die Kraftstoffei n- spritzeinrichtung betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, insbesondere über 80°, besonders vorzugsweise über 100°, einschließen, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung so angeordnet und der Kolben so ausgebildet ist, dass bei einer Kraftstoffeinspritzung in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 180°, bevorzugt 120°, besonders bevorzugt 90° und 0° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung die Einspritzstrahlen der beiden Einspritzöffnungen auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausgebildete, diametral bezüglich der Zylinderachse gegenüberliegende - Muldenwände einer vorzugsweise kreisförmi- gen Kolbenmulde des Kolbens treffen, wobei zumindest eine an den Brennraum grenzende Wand eine thermische Isolierung aufweist.
Die thermische Isolierung ist dabei zweckmäßigerweise im Bereich der brennraum- seitigen Kolbenoberfläche - oder Teilen der Kolbenoberfläche - und/oder im Be- reich einer durch einen Zylinderkopf gebildeten -vorzugsweise dachförmigen - Brennraumdeckfläche - oder Teilen der Brennraumdecke - angeordnet. Weiters kann die thermische Isolierung - kolbenseitig und/oder zylinderseitig - im Bereich des Feuerstegs des Kolbens angeordnet sein. Dadurch können Wärmeverluste re- duziert werden.
Der Kolben weist bevorzugt eine zentrale Erhebung in der Mitte der beispielsweise kreisförmigen Kolbenmulde auf, wobei sich die Erhebung in den Brennraum er- streckt. Ähnliche Kolben sind von Diesel-Brennkraftmaschinen bekannt.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist mehrere - beispielsweise sechs - Einspritz- öffnungen auf. Zumindest zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzeinrich- tungen sind günstigerweise so angeordnet, dass auf beiden Seite des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl einspritzbar ist. In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittelachsen der Einspritz- öffnungen der beiden Einspritzstrahlen - im Grundriss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen. Um einerseits eine zuverlässige Zün- dung des Kraftstoff- Luft-Gemisches zu gewährleisten und andererseits eine Be- netzung des Zündortes mit Kraftstoff zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung so angeordnet sind, dass zumindest ein Einspritzstrahl vom Zündort der Zündeinrichtung einen definierten Abstand aufweist, welcher zwischen 0 mm und 2,5 mm beträgt.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist über eine elektronische Steuereinheit so an- steuerbar, dass der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten während eines Ar- beitszyklus einspritzbar ist, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittelbar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt. Zumindest zwei Einspritzungen können dabei im Verdichtungstakt unmittelbar nacheinander durchgeführt werden.
Es ist auch möglich, die Steuereinheit so zu konditionieren, dass zumindest zwei Einspritzungen im Ansaugtakt und zumindest eine Einspritzung im Verdichtungs- takt durchführbar sind.
Durch Aufteilung der Kraftstoffeinspritzung in mehrere Teileinspritzungen wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die entzogene Verdampfungsenergie gekühlt und somit die Neigung zu irregulärer Verbrennung und zum Klopfen verringert. Die Kühlung des Kraftstoff-Luft-gemisches kann weiters gesteigert werden, wenn über eine Wasserzuführeinrichtung Wasser der Ansaugluft oder dem Kraftstoff bei- mengbar oder dem Brennraum zuführbar ist. Dabei kann eine Wassereinspritzein- richtung beispielsweise in den Einlasssammler, in die einzelnen Einlasskanäle oder in den Brennraum einmünden. Alternativ dazu kann vor dem Einspritzen in den Brennraum dem Kraftstoff Wasser beigemengt und eine Kraftstoff-Wasser-Emul- sion gebildet werden. Diese Kraftstoff-Wasser-Emulsion kann über die Kraft- stoffeinspritzeinrichtung in den Brennraum eingespritzt werden.
Durch mehrmalige Kraftstoffeinspritzung werden im Brennraum Turbulenzen in- nerhalb des Brennraumes erzeugt, welche sich günstig auf die Flammenausbrei- tungsgeschwindigkeit auswirken und somit weiter die Klopfneigung vermindern. Dabei haben sich mehrere kurze Einspritzungen als vorteilhafter im Vergleich zu wenigen langen Einspritzungen erwiesen. Die Steuerung der Einspritzung kann vorteilhafter Weise so konditioniert sein, dass bei jeder Einspritzung der Kraftstoff über eine Dauer von maximal 50°, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20°, Kurbelwinkel KW einspritzbar ist. Der Brennraum und die Einlasskanäle soll- ten so gestaltet sein, dass die Tumble-Zahl (Drallzahl für die Tumbleströmung) im Brennraum maximal 1 beträgt. Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades durch Verminderung der Drosselver- luste kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine nach dem Miller- oder Atkinson-Kreisprozess mit frühem oder spätem Einlassschluss betreibbar ist. Ein frühes Schließen der Einlassventile kann beispielsweis durch einen variablen Ven- tiltrieb ermöglicht werden.
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders vor- teilhaft, wenn zumindest eine Zündeinrichtung als Vorkammerzündkerze ausgebil- det ist. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit und des Wirkungsgrades bei Verringerung der Klopfneigung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den nicht einschränkenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen schematisch :
Fig. 1 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;
Fig. 2 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;
Fig. 3 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer dritten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;
Fig. 4 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer vierten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;
Fig. 5 den Zylinder in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1, 2, 3 oder 4;
Fig. 6 Einspritzereignisse bei Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens in verschiedenen Varianten der Erfindung;
Fig. 7 den Zylinder aus Fig. 4 in einem Längsschnitt mit angedeuteter
Kernzone; und
Fig. 8 diesen Zylinder in einem Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Fig. 7.
In den Fig. 1 bis Fig. 4 ist schematisch jeweils ein Zylinder 1 einer Otto-Brenn- kraftmaschine dargestellt, in welchem ein hin- und hergehender Kolben 2 ver- schiebbar angeordnet ist. Der eine Kolbenmulde 3 aufweisende Kolben 2 wirkt über eine nicht weiter dargestellte Pleuelstange auf eine Kurbelwelle ein. Zwischen dem Kolben 2 und der durch einen Zylinderkopf 4 gebildeten dachförmigen Brennraum- decke 5 ist ein Brennraum 6 ausgebildet. In den Brennraum 6 münden zentral eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 und eine Zündeinrichtung 8 -beispielsweise eine konventionelle Zündkerze mit direkt in den Brennraum 6 mündenden Elektroden - ein. Die Zündeinrichtung 8 kann auch als - angedeutet dargestellte - Vorkammer- zündkerze mit einer integrierten Vorkammer ausgebildet sein, in welcher die Elek- troden angeordnet sind, wobei die Vorkammer über mehrere Öffnungen mit dem Brennraum 6 verbunden ist. Es ist auch möglich, mehr als eine Kraftstoffei nspritz- einrichtung 7 und/oder mehr als eine Zündeinrichtung 8 pro Zylinder 1 vorzuse- hen.
Die Achse 7a der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 kann geneigt zur Zylinderachse la angeordnet sein. Genauso kann die Achse 8a der Zündeinrichtung 8 geneigt zur Zylinderachse la ausgebildet sein. Im gezeigten Beispiel beträgt der Neigungswin- kel a zwischen der Achse 7a und der Zylinderachse la beispielsweise etwa 15°, und der Neigungswinkel ß zwischen der Achse 8a und der Zylinderachse la bei- spielsweise etwa 10°. Die Neigungswinkel a, ß können bevorzugt zwischen 0° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 15°, liegen.
Der Einspritzort 7b der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 und der Zündort 8b der Zündeinrichtung 8 sind nahe der Zylinderachse la angeordnet. Der Abstand 7c zwischen dem Einspritzort 7b und der Zylinderachse la beträgt hier weniger als ein Viertel des Radius R des Zylinders 1. Gleiches gilt für den Abstand 8c zwischen dem Zündort 8b und der Zylinderachse la.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 ist als Mehrlocheinspritzeinrichtung ausgebil- det, um den Kraftstoff über mehrere (nicht dargestellte) Einspritzöffnungen in mehreren Einspritzstrahlen 9 in den Brennraum 6 einzuspritzen. Die Mittelachsen 10 von zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 für etwa dia- metral gegenüberliegende Einspritzstrahlen 9 spannen - in einer in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Seitenansicht auf die Kraftstoffeinspritzeinrichtung betrachtet - einen Winkel y von über 30°, vorzugsweise über 60°, Insbesondere über 80°, besonders vorzugsweise über 100°, auf. Dieser Winkel y entspricht dem Strahl- winkel, den die Strahlachsen der zwei etwa diametral gegenüberliegenden Ein- spritzstrahlen 9 aufspannen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel y etwa 110°.
Der Radius r der im Wesentlichen kreisförmigen Kolbenmulde beträgt zwischen 0,7 bis 0,9-mal dem Kolbenradius R. In dem von der Zylinderachse la entferntesten Bereich weist die Kolbenmulde 3 vom Kolbenrand 21 abgewandte Muldenwände 31 auf, welche im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse la ausgebildet sind. Die Kraftstoffeinspritzung (bei einmaliger Einspritzung) oder die letzte Kraft- stoffeinspritzung (bei mehrmaliger Einspritzung) erfolgt sehr spät im Verdich- tungstakt nahe dem oberen Totpunkt TDC der Verbrennung, wobei Mittelachsen 10 Einspritzöffnungen bzw. die Strahlachsen der Einspritzstrahlen 9 auf die Mul- denwände 31 gerichtet sind. Damit legen die Einspritzstrahlen 10 den längst mög- lichen Weg innerhalb des Brennraumes 6 zurück, bevor sie auf den Kolben 2 auf- treffen. Der Kraftstoff kann somit bestmöglich verdampfen.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 ein sternför- miges Strahlbild der Einspritzstrahlen 9 auf, wobei im gezeigten Ausführungsbei- spiel sechs Einspritzöffnungen vorgesehen sind. Mit Bezugszeichen 11 sind im Brennraumdach 5 angeordnete Gaswechselventile bezeichnet. Zumindest zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 und so angeordnet, dass auf beiden Seite des Zündortes 8b der Zündeinrichtung 8 Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl 9 eingespritzt wird. Die Mittelachsen 10 dieser Einspritzöffnungen schließen dabei einen Winkel d ein, welcher etwa zwischen 50° und 80° beträgt.
Die Einspritzstrahlen 9 weisen einen Abstand a vom Zündort 8b auf, welcher zwi- schen 0 mm und 2,5 mm beträgt. Damit wird ein sicheres Zünden des Kraftstoff- Luft-gemisches gewährleistet.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weisen an den Brennraum 6 grenzende Wände oder Wandbereiche thermische Isolierungen 12 auf. Insbesondere sind thermische Iso- lierungen 12 im Bereich der Kolbenoberfläche 22 - also im Bereich der Kolben- mulde 3 und im Bereich zwischen Kolbenmulde 3 und Kolbenrand 21 -, im Bereich der Brennraumdecke 5, und in dem an den Brennraum 6 grenzenden Bereich des Zylinders 1, aber auch im Bereich des Feuerstegs 23 des Kolbens 2 sowie in einem dem Feuersteg 23 gegenüberliegenden Bereich des Zylinders 1 vorgesehen. In Fig. 2 sind die Isolierungen 12 nicht dargestellt.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsvariante unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass hier die Kolbenmulde 3 eine zentrale Erhebung 32 aufweist. Weiters sind die dem Brennraum 6 zugewandten Bereiche der Kolbenoberfläche 22 zwischen der Kolbenmulde 3 und dem Kolbenrand 21 als Quetschflächen 24 ausgebildet, deren Neigung und Form im Wesentlichen der Dachneigung der dachförmigen Brenn- raumdecke 5 entspricht. Die korrespondierenden zylinderkopfseitigen Quetschflä- chen der Brennraumdecke 5 sind mit Bezugszeichen 25 bezeichnet.
Kolbenseitige Quetschflächen 24 zwischen der Kolbenmulde 3 und dem Kolbenrand 21 einerseits und zylinderkopfseitige Quetschflächen 25 der Brennraumdecke 5 andererseits sind auch bei der in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen. Die Quetschflächen 24, 25 sind dabei eben und parallel zur Zylinderkopfdichtebene e ausgebildet. Innerhalb der zylinderkopfseitigen Quetschflächen 25 ist die Brennraumdecke 5 dachförmig ausgebildet.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung mit zwischen der Kol- benmulde 3 und dem Kolbenrand 21 als Quetschflächen 24 ausgebildeten Berei- chen der Kolbenoberfläche 22, wobei die Quetschflächen 24 zumindest teilweise der Form der dachförmigen Brennraumdecke 5 folgen. Die Quetschflächen 24 und die korrespondierenden zylinderkopfseitigen Quetschflächen 25 der Brennraum- decke 5 sind in Fig. 4 leicht gekrümmt ausgeführt, wobei die Steigung der Kolben- oberfläche 22 bzw. der Brennraumdecke 5 im Bereich des Kolbenrandes 21 bzw. Zylinderrandes geringer ist als in einem der Zylinderachse la näher liegenden Be- reich. Selbstverständlich können auch bei den in Fig. 2 bis Fig. 4 gezeigten Aus- führungen thermische Isolierungen vorgesehen sein.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Brennkraftmaschine zumin- dest annähernd adiabat und mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis l=1 betrieben und der Kraftstoff im Verdichtungstakt sehr spät nahe dem oberen Totpunkt TDC der Verbrennung mit sehr hohem Einspritzdruck von über 500 bar, insbesondere über 900 bar, beispielsweise 1000 bar, eingespritzt.
Alternativ dazu kann die Brennkraftmaschine auch zumindest annähernd adiabat und mit einem mageren Luft- Kraftstoffverhältnis l> 1 betrieben und der Kraftstoff im Verdichtungstakt sehr spät nahe dem oberen Totpunkt TDC der Verbrennung mit sehr hohem Einspritzdruck von über 500 bar, insbesondere über 900 bar, bei- spielsweise 1000 bar, eingespritzt werden.
In jedem Falle erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes sehr spät und unmittelbar vor der Zündung des Gemisches. Dabei erfolgt die gesamte Einspritzung vor dem Zeitpunkt der Zündung. Die Gemischbildung ist zum Zeitpunkt der Zündung vor- wiegend abgeschlossen, wobei mehr als 90%, vorzugsweise mindestens 95% des Kraftstoffes mit Luft vermischt sind. Zum Zeitpunkt der Zündung liegt ein annä- hernd homogenes Gemisch, insbesondere ein quasihomogenes Gemisch im Zylin- der vor. Dabei ist in einem zentralen Bereich 40 des Brennraumes 6 im Wesentli- chen über der Kolbenmulde 3 eine Zone mit homogenem Gemisch, und radial außerhalb dieses zentralen Bereichs 40 einen im Wesentlichen ringförmiger Be- reich 41 mit einer Zone mit Luft oder einem mageren Grundgemisch ausgebildet, wie in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass auf Grund der Nachreaktion zwischen Sauerstoff - 02 und Russ - C zu C02 die vorgemischte Ver- brennung sehr russarm erfolgt. Auch das Abgas weist eine quasihomogene Zu- sammensetzung mit einem Gehalt an CO< l%, insbesondere zwischen 0,6-0, 8%, und einem Gehalt an 02<1% auf. Die Brennkraftmaschine kann dabei nach dem Miller- oder Atkinson-Kreisprozess mit einem frühen oder späten Einlassschluss betrieben werden. Die Einlasskanäle der Brennkraftmaschine und der Brennraum 6 sind so gestaltet, dass eine niedrige Tumble-Zahl, insbesondere eine Tumblezahl < 1 erreicht wird.
Die Brennkraftmaschine kann nach dem Zweitaktverfahren oder nach dem Vier- taktverfahren arbeiten.
Die Kraftstoffeinspritzung E kann einmalig oder mehrmalig erfolgen, wie in den Fig. 6a bis Fig. 6c schematisch dargestellt ist. In Fig. 6a bis Fig. 6c sind dabei die Einspritzereignisse E über dem Kurbelwinkel für jeweils einen Arbeitszyklus aufge- tragen, wobei die oberen Totpunkte mit TDC und die unteren Totpunkte mit BDC bezeichnet sind.
Fig. 6a zeigt dabei eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einmali- ger Kraftstoffeinspritzung E während des Verdichtungstaktes.
Fig. 6b zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zweimaliger Kraftstoffeinspritzung E während des Verdichtungstaktes.
Fig. 6c zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dreimaliger Kraftstoffeinspritzung E, wobei die ersten zwei Kraftstoffeinspritzungen E während des Ansaugtaktes und eine Kraftstoffeinspritzung E während des Verdichtungs- taktes erfolgen.
Zusätzlich können eine oder mehrere Einspritzungen im Ansaugtakt vorgesehen sein. Die einzelnen Einspritzungen im Verdichtungshub und im Saughub können dabei unterschiedliche Mengenaufteilungen aufweisen im Verhältnis zwischen 10/90 bis 90/10 aufweisen. Auch bei mehr als zwei Einspritzereignissen können die Kraftstoff mengen unterschiedlich aufgeteilt sein. Beispielsweise kann die Men- genaufteilung bei drei Einspritzereignissen 10/25/65 oder 60/30/10 betragen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, welche zumindest einen in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brennraum grenzen- den Kolben aufweist, wobei in zumindest einem Betriebsbereich der Brenn- kraftmaschine pro Zylinder Kraftstoff über zumindest eine Kraftstoffei nspritz- einrichtung zentral in den Brennraum eingespritzt und über zumindest eine Zündeinrichtung zentral im Brennraum gezündet wird, wobei der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar in der zweiten Hälfte des Verdich- tungstaktes vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung in den Brenn- raum eingespritzt und die Brennkraftmaschine mit einem Luft-Kraftstoffver- hältnis l>1 betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der Kraftstoff zwischen 180°, bevorzugt 120°, besonders bevorzugt 90°, und 0° Kurbelwinkel vor dem obe- ren Totpunkt (TDC) der Verbrennung so in den Brennraum eingespritzt wird, dass zumindest zwei Einspritzstrahlen des Kraftstoffes auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausgebildete, etwa diametral bezüglich der Zylin- derachse gegenüberliegende - Muldenwände (3a ) einer vorzugsweise kreis- förmigen Kolbenmulde des Kolbens treffen, wobei die Strahlmittelachsen der beiden Einspritzstrahlen - in einer die Zylinderachse beinhaltenden Schnitt- ansicht betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, be- sonders vorzugsweise über 100°, einschließen, und dass die Verbrennungs- wärme im Brennraum durch zumindest eine thermische Isolierung und/oder Beschichtung zurückgehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 900 bar, vorzugsweise über 1000 bar, so ein- gespritzt wird, dass in einem Bereich über der Kolbenmulde ein homogenes Gemisch gebildet wird, wobei vorzugsweise der Kraftstoff überkritisch einge- spritzt eingespritzt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff über zumindest fünf, vorzugsweise zumindest sechs Ein- spritzstrahlen gleichzeitig in den Brennraum eingespritzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl eingespritzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ein- spritzstrahlen - im Grundriss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einspritzstrahl vom Zündort einen definierten Abstand aufweist, weicher zwischen 0,5 und 2,5 mm beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten eingespritzt wird, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittelbar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Einspritzungen - vorzugsweise als Doublette - im Ver- dichtungstakt durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Einspritzungen im Ansaugtakt und zumindest eine Ein- spritzung im Verdichtungstakt durchgeführt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Einspritzung der Kraftstoff über eine Dauer von maximal ma ximal 50°KW, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20° Kurbelwinkel eingespritzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Einspritzung des Kraftstoffes zum oder noch vor dem Zeit- punkt der Zündung beendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bis zum Zeitpunkt der Zündung in einem zentralen Bereich über der Kolbenmulde ein homogenes Gemisch und radial außerhalb des zentralen Be- reiches eine Randzone mit Luft oder magerem Grundgemisch gebildet wird, sodass nach dem Zeitpunkt der Zündung eine vorgemischte Verbrennung durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit einem Verdichtungsverhältnis zwischen 12 und 18 betrieben wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis l=1 betrie- ben wird.
15. Otto-Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brennraum grenzenden Kolben, mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und zumindest einer Zündeinrichtung pro Zy- linder, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder die Zündeinrichtung zentral in den Brennraum einmünden, und wobei die Kraftstoffeinspritzein- richtung ausgebildet ist um Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar, in der zweiten Hälfte eines Verdichtungstaktes vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung in den Brennraum einzuspritzen und die Brennkraft - maschine mit einer Luftzahl l> 1 zu betreiben, zur Durchführung des Verfah- rens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung zumindest zwei etwa diametral gegenüber- liegende Einspritzöffnungen aufweist, wobei deren Mittelachsen - in einer Sei- tenansicht auf die Kraftstoffeinspritzeinrichtung betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, besonders vorzugsweise über 100°, ein- schließen, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung so angeordnet und der Kol- ben so ausgebildet ist, dass bei einer Kraftstoffeinspritzung in einem Kurbel- winkelbereich zwischen 180°, bevorzugt 120°, besonders bevorzugt 90° und 0° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung die Ein- spritzstrahlen der beiden Einspritzöffnungen auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausgebildete, diametral bezüglich der Zylinderachse ge- genüberliegende - Muldenwände einer vorzugsweise kreisförmigen Kolben- mulde des Kolbens treffen, und dass zumindest eine an den Brennraum gren- zende Wand oder Wandbereich eine thermische Isolierung aufweist.
16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung im Bereich der Kolbenoberfläche angeordnet ist.
17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung im Bereich einer durch einen Zylinderkopf ge- bildeten -vorzugsweise dachförmigen - Brennraumdeckfläche angeordnet ist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung - kolbenseitig und/oder zylinder- seitig - im Bereich des Feuerstegs des Kolbens angeordnet ist.
19. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine zentrale Erhebung aufweist.
20. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung mehrere, vorzugsweise zu- mindest fünf, vorzugsweise zumindest sechs, Einspritzöffnungen aufweist.
21. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet net, dass zumindest zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffei n- spritzeinrichtung so angeordnet sind, dass auf beiden Seite des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl einspritzbar ist.
22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der Einspritzöffnungen der beiden Einspritzstrahlen - im Grund- riss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen.
23. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung so angeordnet sind, dass zumindest ein Einspritzstrahl vom Zündort der Zündeinrichtung einen definierten Abstand (a, b) aufweist, weicher zwischen 0 mm und 2,5 mm beträgt.
24. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung so konditioniert ist, der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten eines Arbeitszyklus einspritzbar ist, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittelbar vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung erfolgt.
25. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung so konditioniert ist, zumindest zwei Einspritzungen im Verdichtungs- takt unmittelbar nacheinander durchführbar sind.
26. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung (TDC) so konditioniert ist, zumindest zwei Einspritzungen im An- saugtakt und zumindest eine Einspritzung im Verdichtungstakt durchführbar sind.
27. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung so konditioniert ist, dass bei jeder Einspritzung der Kraftstoff über eine Dauer von maximal 50°, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20° Kurbelwinkel einspritzbar ist.
28. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet t, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgebildet ist um die Brennkraftmaschine mit einer Luftzahl l=1 zu betreiben.
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