DE102006020642A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine für ein solches Verfahren - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine, die zum Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist.
- Aus der
DE 196 49 052 A1 ist ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung und mit einer Kolbenmulde bekannt. Die dort gezeigte direkteinspritzende, selbstzündende Brennkraftmaschine umfaßt mindestens einen Zylinder, einen im Zylinder auf und ab geführten Kolben, einen Zylinderkopf und einen durch den Zylinder, den Kolben und den Zylinderkopf begrenzten Brennraum. In einen Kolbenboden des Kolbens ist eine Kolbenmulde eingeformt, die im Übergangsbereich zum Kolbenboden in einen im wesentlichen ringförmigen Stufenraum übergeht. Ein im Zylinderkopf angeordneter Injektor für Kraftstoff mündet in den Brennraum. Mittels des Injektors werden über dessen Umfang verteilt mehrere Einspritzstrahlen von Kraftstoff entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen in den Brennraum eingespritzt. - Der Einspritzstrahl trifft auf den Randbereich der Kolbenmulde. Als Folge davon wird der Strahl im wesentlichen in zwei Richtungen abgelenkt. Eine erste Teilmenge gelangt bezüglich der Axialrichtung des Zylinders nach unten in die Brennraummulde. Eine zweite Teilmenge breitet sich im wesentlichen in radialer Richtung über den Kolbenboden in Richtung der Zylinderwand aus. Durch beide Teilmengen wird je eine, also insgesamt zwei Verbrennungsfronten gebildet. Die zweite, sich in Richtung der Zylinderwand ausbreitende Teilmenge von Kraftstoff ist insbesondere hinsichtlich der Ruß- und Stickoxidbildung nicht optimal. Es ist ein erhöhter Rußeintrag ins Motoröl zu beobachten.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit verringerter Ruß- und Rauchentwicklung anzugeben.
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst.
- Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine direkteinspritzende, selbstzündenden Brennkraftmaschine anzugeben, die für den Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
- Es wird vorgeschlagen, dass die Strahlachsen der von dem Injektor erzeugten Einspritzstrahlen zumindest in einem Teil des Zeitraums der Einspritzung auf den Stufenraum des Kolbens gerichtet sind. Die Einspritzstrahlen werden derart zum Stufenraum hin geführt und dort umgelenkt, dass eine erste Teilmenge von Kraftstoff in einer Axialrichtung und einer Radialrichtung in die Kolbenmulde umgelenkt wird. Eine zweite Teilmenge von Kraftstoff wird in der Axialrichtung und der Radialrichtung über den Kolbenboden in den Brennraum umgelenkt, während eine dritte Teilmenge von Kraftstoff in eine Umfangrichtung umgelenkt wird, wobei die jeweils dritten Teilmengen benachbarter Einspritzstrahlen in der Umfangsrichtung aufeinandertreffen und anschließend in der Radialrichtung nach innen umgelenkt werden.
- Ausbildung und Führung der vorgenannten dritten Teilmengen werden durch das Auftreffen der Einspritzstrahlen auf den Stufenraum hervorgerufen. Infolge der Umlenkung in Richtung der Kolbenmuldenmitte wird eine neue, dritte Verbrennungsfront gebildet. Diese bildet sich zwischen den Einspritzstrahlen und somit genau dort aus, wo noch genügend Restsauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung steht. Als Folge davon sinkt die Rußemission.
- Da diese dritte Verbrennungsfront zu den beiden anderen Verbrennungsfronten erst zeitverzögert brennt, wird auch die lokale Spitzentemperatur im Brennraum und in der Folge davon die Stickoxidentstehung vermindert. Auch die Rußnachoxidation wird durch diesen Effekt begünstigt.
- Sofern die Brennkraftmaschine zur Stickoxidreduktion mit zurückgeführtem Abgas betrieben wird, erhält man durch die zweimalige Umlenkung der Kraftstoffteilchen im Stufenraum – also eine erste Umlenkung in die Umfangsrichtung und anschließend eine zweite Umlenkung radial nach innen – einen zusätzlichen Durchmischungseffekt, der auch das zurückgeführte, nahezu inerte Abgas besser mit Sauerstoff und Kraftstoff durchmischt. Die Entstehung lokaler Temperaturspitzen ist vermindert, womit auch die Stickoxidemission abnimmt.
- Für eine wirkungsvolle Ausbildung der drei Verbrennungsfronten müssen der Strahlkegelwinkel, der Einspritzbeginn und die Einspritzdauer untereinander und auf den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine abgestimmt werden, dass zumindest ein beträchtlicher Anteil der Einspritzstrahlen von Kraftstoff auf den Stufenraum auftrifft. Diese Abstimmung wird bevorzugt derart getroffen, dass mindestens 30%, insbesondere einschließlich 30% bis einschließlich 80% der eingespritzten Kraftstoffmenge auf den Stufenraum trifft. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt zweckmäßig mit einem Druck > 1700 bar, bevorzugt > 2000 bar, und insbesondere mit etwa 2150 bar. Für eine wirkungsvolle Ausbildung der dritten Verbrennungsfront hat sich eine Abstimmung als zweckmäßig herausgestellt, bei der die jeweils dritten Teilmengen benachbarter Einspritzstrahlen in der Umfangsrichtung mit einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s, insbesondere von 30 m/s aufeinandertreffen.
- Für eine wirkungsvolle Ausbildung und Umlenkung der dritten Teilmengen ist eine Wand des Stufenraumes bevorzugt im Querschnitt konkav als Kreisbogenausschnitt oder als Ellipsenausschnitt mit einem Radius ausgebildet, der in einen Bereich von einschließlich 3% bis einschließlich 30% eines Radius der Kolbenmulde liegt.
- Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, dass die Wand des Stufenraumes im Querschnitt durch eine gerade Umfangswand, einen geraden Boden und eine konkav gekrümmte Übergangswand gebildet ist, wobei die Umfangswand gegenüber einer Axialrichtung in einem Bereich von einschließlich +10° bis einschließlich –30° geneigt ist, und/oder wobei der Boden gegenüber einer Radialrichtung in einem Bereich von einschließlich +30° bis einschließlich –40° geneigt ist und/oder wobei die konkav gekrümmte Übergangswand einen Radius in einem Bereich von einschließlich 1,5% bis einschließlich 20% des Radius der Kolbenmulde aufweist.
- Eine Höhe des Stufenraumes in der Axialrichtung liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 30% des Radius der Kolbenmulde, wobei eine Breite des Stufenraumes in der Radialrichtung in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 30% des Radius der Kolbenmulde liegt.
- Für eine wirkungsvolle Umlenkung der jeweiligen dritten Teilmengen von Kraftstoff aus der Umfangsrichtung in die Radialrichtung sind vorteilhaft beidseitig eines Auftreffpunktes der Strahlachse auf den Stufenraum Umlenkmittel im Stufenraum angeordnet. Sie begünstigen eine aerodynamisch saubere, verlustarme Führung der jeweiligen dritten Teilmengen von Kraftstoff.
- Die Umlenkmittel sind zweckmäßig als in der Radialrichtung und der Axialrichtung nach innen von der Wand des Stufenraumes aus und in Richtung der Kolbenmulde bzw. des Brennraumes hervorstehende Ablenknasen ausgebildet. Diese können im nahezu beliebigen geometrischen Formen in den Kolben eingeformt werden. Insbesondere bei einteiliger gußtechnischer Ausbildung kann ohne zusätzlichen fertigungstechnischen Aufwand eine strömungstechnisch günstig angepaßte Richtungsumlenkung verwirklicht werden.
- Hierzu geht der Stufenraum in der Umfangsrichtung und der Radialrichtung bevorzugt kreisbogenförmig konkav in die Ablenknase über. Der kreisbogenförmige Übergang weist zweckmäßig einen Radius auf, der in einem Bereich von einschließlich 5% bis einschließlich 50% des Radius der Kolbenmulde liegt.
- Alternativ kann es vorteilhaft sein, dass der Stufenraum in der Umfangsrichtung und der Radialrichtung elliptisch konkav in die Ablenknase übergeht. Hierbei weist der elliptische Übergang bevorzugt eine kleine Halbachse und eine große Halbachse auf, wobei die kleine Halbachse in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 25% und die große Hablachse in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 60% des Radius der Kolbenmulde liegt. Auch hierdurch wird eine strömungstechnisch günstige Umlenkung der dritten Kraftstoff-Teilmenge von der Umfangsrichtung radial nach innen erreicht.
- Zur Unterstützung der Strömungsführung ist zweckmäßig vorgesehen, dass eine Höhe der Ablenknase in der Axialrichtung in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Höhe des Stufenraumes liegt, dass eine Breite der Ablenknase in der Radialrichtung in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Breite des Stufenraumes liegt, und dass eine axiale Stirnfläche der Ablenknase um einen Winkel in einem Bereich von einschließlich 0° bis einschließlich 40° gegenüber der Radialrichtung nach innen in die Kolbenmulde hineingeneigt ist.
- Für eine gleichmäßige Ausbildung der drei Verbrennungsfronten und eine gute Durchmischung weist der Injektor vorteilhaft über seinen Umfang insbesondere gleichmäßig verteilt 7 bis 12, bevorzugt 8 bis 10 Einspritzlöcher auf. Für die Ausbildung von präzise geformten Einspritzstrahlen und ein gleichmäßiges Auftreffen auf den Stufenraum weisen die jeweiligen Einspritzlöcher des Injektors eine Länge und einen Durchmesser auf, wobei das Verhältnis der Länge zum Durchmesser in einem Bereich von einschließlich 3,0 bis einschließlich 11,0 liegt. Alle Strahlachsen der Einspritzstrahlen sind dabei zweckmäßig auf einem einzigen, gemeinsamen Kegelmantel angeordnet.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung den Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Kolben, einem Zylinderkopf und einem Brennraum sowie mit Einzelheiten zur Ausbildung eines in Teilmengen aufgeteilten Einspritzstrahls; -
2 eine Detailansicht des Kolbens nach1 mit Einzelheiten zur geometrischen Ausbildung seines Stufenraumes mit einem kreisabschnittförmigen Querschnitt; -
3 eine Variante des Stufenraumes mit einem abgewinkelten Querschnitt; -
4 ausschnittsweise eine Draufsicht des Kolbens nach1 mit eingeformten Ablenknasen; -
5 eine Detailansicht des Kolbens nach4 in dem dort entlang der Linie V-V angedeuteten Querschnitt mit Einzelheiten zur geometrischen Ausbildung des Stufenraumes und der Ablenknase; -
6 eine Variante der Ablenknase nach den4 und5 mit elliptisch konkaver Rundung; -
7 in einer ausschnittsweisen Draufsicht einen Kolben mit darauf abgebildetem Ausbreitungsverläufen von Einspritzstrahlen nach dem Beginn der Einspritzung; -
8 die Anordnung nach7 nach weiter fortgeschrittener Kraftstoffeinspritzung mit in Umfangsrichtung aufeinander getroffenen dritten Kraftstoff-Teilmengen; -
9 ein weiteres Phasenbild der Kraftstoffausbreitung nach den7 und8 mit radial nach innen umgelenkten dritten Teilmengen von Kraftstoff; -
10 eine perspektivische Ansicht der Kraftstoffverteilung nach9 mit Einzelheiten zur Ausbildung von drei Verbrennungsfronten. -
1 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine erfindungsgemäß ausgeführte direkteinspritzende, selbstzündende Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders1 , in dem ein Kolben2 auf und ab geführt ist. Es ist beispielhaft nur ein Zylinder1 gezeigt. Die Brennkraftmaschine kann eine beliebige Anzahl von entsprechend ausgestalteten Zylindern1 aufweisen, in denen jeweils das nachfolgend beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. - Ein angedeuteter Zylinderkopf
3 begrenzt zusammen mit dem Zylinder1 und dem Kolben2 einen Brennraum4 . Im Zylinderkopf3 ist ein angedeuteter Injektor zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, angeordnet. - Der Kolben
2 weist auf seiner dem Brennraum4 zugewandten Seite einen Kolbenboden5 auf, in den eine Kolbenmulde6 eingeformt ist. Die Kolbenmulde6 geht bezogen auf eine Radialrichtung15 außen im Übergangsbereich zum Kolbenboden5 in einen im wesentlichen ringförmigen Stufenraum7 über. Die gezeigte Anordnung ist insgesamt rotationssymmetrisch zu einer Zylinderachse26 aufgebaut, wobei die Zylinderachse26 eine Axialrichtung14 vorgibt. Senkrecht zur Axialrichtung14 liegt die Radialrichtung15 . - Der Injektor weist über seinen Umfang gleichmäßig verteilt Einspritzlöcher
25 auf, von denen der besseren Übersichtlichkeit halber hier nur ein Einspritzloch25 dargestellt ist. Die Einspritzlöcher25 des Injektors8 weisen eine Länge L und einen Durchmesser D auf, wobei das Verhältnis der Länge L zum Durchmesser D in einem Bereich von einschließlich 3,0 bis 11,0 liegt. Eine Mittelachse der Einspritzlöcher25 ist gegenüber der Radialrichtung15 schräg nach unten zum Kolben2 geneigt. Beim Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzlöcher25 entsteht jeweils ein schematisch angedeuteter Einspritzstrahl9 , deren Strahlachsen10 kegelförmig angeordnet sind. Es kann zweckmäßig sein, für die verschiedenen Strahlachsen10 unterschiedliche Kegelwinkel α vorzusehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen alle Strahlachsen10 der Einspritzstrahlen9 auf einem einzigen gemeinsamen Kegelmantel mit einem konstanten Kegelwinkel α. - Abhängig vom Kurbelwinkel nimmt der Kolben
2 in der Axialrichtung14 verschiedene Positionen relativ zum Zylinderkopf3 bzw. zum Injektor8 und dessen Strahlachsen10 ein. Der Kegelwinkel α der kegelförmig angeordneten Strahlachsen10 , Einspritzbeginn und Einspritzdauer sind derart aufeinander bzw. auf den Kurbelwinkel und damit auf die axiale Position des Kolbens2 abgestimmt, dass die Strahlachsen10 zumindest über einen bedeutsamen Teil des Zeitraums der Einspritzung auf den Stufenraum7 gerichtet sind. Dort treffen sie in einem Auftreffpunkt17 auf den Stufenraum7 . Die vorgenannte Abstimmung ist derart gewählt, dass mindestens 30%, insbesondere einschließlich 30% bis einschließlich 80% der eingespritzten Kraftstoffmenge der Einspritzstrahlen9 auf den Stufenraum7 auftrifft. - Die weiter unten näher beschriebene Ausbildung des Stufenraumes in Verbindung mit der vorgenannten Abstimmung bewirkt eine Aufteilung und Umlenkung der Einspritzstrahlen
9 in erste Teilmengen11 , zweite Teilmengen12 und dritte, in den7 bis10 gezeigte Teilmengen13 . Die erste Teilmenge11 von Kraftstoff wird in der Axialrichtung14 und der Radialrichtung15 vom Zylinderkopf3 weg nach unten in die Kolbenmulde6 und dort in der Radialrichtung15 nach innen in Richtung zur Zylinderachse26 umgelenkt. Die zweite Teilmenge12 von Kraftstoff wird teilweise in der Radialrichtung15 nach außen über den Kolbenboden5 sowie zum anderen Teil aus dem Stufenraum7 heraus in der Axialrichtung14 nach oben zum Zylinderkopf3 sowie in der Radialrichtung15 nach außen über den Kolbenboden5 in den Brennraum4 hinein in Richtung der Wand des Zylinders1 umgelenkt. Weitere Einzelheiten zur Kraftstofführung sind weiter unten im Zusammenhang mit den7 bis10 näher beschrieben. -
2 zeigt eine Detailansicht des Kolbens2 nach1 im Bereich der Kolbenmulde6 und des Stufenraums7 . Der Stufenraum7 ist in der Radialrichtung15 nach außen und in der Axialrichtung14 nach unten vom Kolbenboden5 fortweisend durch eine gerundete Wand19 begrenzt. Die Wand19 des Stufenraums7 ist im Querschnitt konkav als Kreisbogenausschnitt ausgeführt. Ein Radius R2 des Kreisbogenausschnitts liegt im Bereich von einschließlich 3% bis einschließlich 30% eines Radius R1 der Kolbenmulde6 . Der Radius R1 der Kolbenmulde6 ist von der Zylinderachse26 aus gemessen und umfaßt die gesamte Kolbenmulde6 einschließlich des Stufenraums7 . - Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein konstanter Radius R2 vorgesehen. Es kann auch eine elliptische Ausführung zweckmäßig sein, deren große und kleine Radien zweckmäßig in dem zuvor angegebenen Bereich liegen.
-
3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Stufenraums7 nach2 . Demnach ist der Querschnitt des Stufenraums7 winklig ausgeführt. Die Wand19 des Stufenraumes7 ist durch eine in der Axialrichtung14 gerade, zylindrische Umfangswand20 , durch einen in der Radialrichtung15 geraden, ebenen Boden21 sowie durch eine konkav gekrümmte Übergangswand22 gebildet. Der Boden21 geht mittels der Übergangswand22 in die Umfangswand20 über. Die konkav gekrümmte Übergangswand22 weist einen Radius R3 auf, der in einem Bereich von einschließlich 1,5% bis einschließlich 20% des Radius R1 der Kolbenmulde6 liegt. - Die Umfangswand
20 liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Axialrichtung14 , während der Boden21 parallel zur Radialrichtung15 liegt. Mit + und – versehene Doppelpfeile deuten an, dass es auch zweckmäßig sein kann, für die Umfangswand20 und/oder den Boden21 eine Neigung vorzusehen. Die Umfangswand20 ist dabei vorteilhaft gegenüber der Axialrichtung14 in einem Bereich von einschließlich +10° bis einschließlich –30° geneigt. Der Boden21 ist zweckmäßig gegenüber der Radialrichtung15 in einem Bereich von einschließlich +30° bis einschließlich –40° geneigt. -
4 zeigt ausschnittsweise eine Draufsicht des Kolbens2 nach1 . In dieser Draufsicht ist zu erkennen, dass die Kolbenmulde6 , der Stufenraum7 und der Kolbenboden5 etwa kreisförmig koaxial zur Zylinderachse26 angeordnet sind. Bezogen auf die Zylinderachse26 . ist eine Umfangsrichtung durch einen Doppelpfeil16 angegeben. - Von der Vielzahl der vorgesehenen Einspritzstrahlen
9 sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur zwei benachbarte Einspritzstrahlen9 ,9' dargestellt, deren Strahlachsen10 ,10' in Auftreffpunkten17 ,17' auf den Stufenraum7 auftreffen. In der Umfangsrichtung16 sind mittig zwischen den Auftreffpunkten17 ,17' Umlenkmittel18 im Stufenraum7 angeordnet, deren Funktion weiter unten im Zusammenhang mit den8 bis10 näher beschrieben wird. Die Umlenkmittel18 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als in der Radialrichtung15 nach innen von der Wand des Stufenraums7 aus in Richtung der Kolbenmulde6 hervorstehende Ablenknasen23 ausgebildet. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist hier nur eine Ablenknase23 dargestellt. Im Zwischenraum zwischen jedem Auftreffpunkt17 ,17' sämtlicher Einspritzstrahlen9 ,9' ist je eine Ablenknase23 mittig angeordnet, demnach beidseitig eines jeden Auftreffpunktes17 ,17' je eine Ablenknase23 liegt. Die Anzahl der Ablenknasen23 entspricht damit der Anzahl der Einspritzstrahlen9 ,9' . - Bezogen auf die Ebene der Umfangsrichtung
16 und der Radialrichtung15 geht die Wand des Stufenraums7 kreisbogenförmig konkav in die Ablenknase23 über. Der kreisbogenförmige Übergang ist in der durch die Radialrichtung15 und die Umfangsrichtung16 aufgespannten Ebene mit einem Radius R4 versehen. Der Radius R4 des kreisbogenförmigen Übergangs liegt in einem Bereich von einschließlich 5% bis einschließlich 50% des Radius R1 der Kolbenmulde6 . -
5 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Anordnung nach4 entlang der dort mit Pfeilen V-V angegebenen Schnittführung. Demnach steht die Ablenknase23 in der Radialrichtung15 nach innen und in der Axialrichtung14 nach oben über der Wand19 des Stufenraums7 hervor und ragt in Richtung der Kolbenmulde6 bzw. in Richtung des Brennraums4 . - Eine in der Axialrichtung
14 gemessene Höhe h des Stufenraumes7 liegt in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 30% des Radius R1 der Kolbenmulde6 (4 ). Eine in der Radialrichtung15 gemessene Breite b des Stufenraumes7 liegt in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 30% des Radius R1, der Kolbenmulde6 (4 ). - Eine in der Axialrichtung
14 gemessene Höhe h1 der Ablenknase23 liegt in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Höhe h des Stufenraumes7 . Eine in der Radialrichtung15 gemessene Breite b1 der Ablenknase23 liegt in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Breite b des Stufenraumes7 . Bezogen auf die Axialrichtung14 ist die Ablenknase23 in Richtung des Brennraums4 durch eine im wesentlichen ebene axiale Stirnfläche24 begrenzt. Die Stirnfläche24 der Ablenknase23 ist um einen Winkel β gegenüber der Radialrichtung15 nach innen in die Kolbenmulde6 hinein bzw. vom Brennraum4 fortweisend geneigt. Der Winkel β der Stirnfläche24 liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 0° bis einschließlich 40° gegenüber der Radialrichtung15 . -
6 zeigt noch eine Variante der Ablenknase23 nach4 . Demnach geht der Stufenraum7 in der Umfangsrichtung16 elliptisch konkav in die Ablenknase23 über. Der elliptische Übergang weist eine kleine Halbachse R5 und eine große Halbachse R6 auf, wobei die kleine Halbachse R5 in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 25% und die große Halbachse R6 in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 60% des Radius R1 der Kolbenmulde6 (4 ) liegt. In den übrigen Merkmalen und Bezugszeichen stimmt die Anordnung nach6 mit der nach4 überein. - Die
7 bis9 zeigen ausschnittsweise den Zylinder1 mit dem darin geführten Kolben2 in verschiedenen zeitlichen Phasen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens. Es ist jeweils in der Umfangsrichtung16 ein Drittel vom Zylinder1 mit dem Kolben2 gezeigt. Der Injektor8 (1 ) weist über seinen Umfang gleichmäßig verteilt sieben bis zwölf, bevorzugt acht bis zehn Einspritzlöcher25 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind neun Einspritzlöcher25 (1 ) vorgesehen, demnach in dem in den7 bis8 gezeigten Drittel drei Einspritzstrahlen9 ,9' von eingespritztem Dieselkraftstoff ausgebildet sind. -
7 zeigt den Zustand der Kraftstoffeinspritzung bzw. der Ausbildung der Einspritzstrahlen9 ,9' etwa 20° Kurbelwinkel nach Spritzbeginn. Demnach sind die Einspritzstrahlen9 ,9' zu diesem Zeitpunkt bereits auf den Stufenraum7 aufgetroffen und in drei Teilmengen11 ,12 ,13 aufgeteilt. Die erste Teilmenge11 von Kraftstoff ist entgegen der Radialrichtung15 zurück zur Zylinderachse16 und dabei nach unten in die Kolbenmulde6 hinein umgelenkt. Ihre Ausbreitung erfolgt dabei unterhalb (bezogen auf die Ansicht nach den7 bis9 ) der Einspritzstrahlen9 ,9' entgegen deren Einspritzrichtung in der Radialrichtung15 . Die zweite Teilmenge12 von Kraftstoff ist in der Radialrichtung15 aus dem Stufenraum7 heraus über den Kolbenboden5 verlaufend radial nach außen umgelenkt. - Darüber hinaus bewirkt das Auftreffen der Einspritzstrahlen
9 ,9' auf den Stufenraum7 , dass eine dritte Teilmenge13 vom Kraftstoff der jeweiligen Einspritzstrahlen9 ,9' gebildet wird. Diese dritten Teilmengen13 ,13' werden aus der Radialrichtung15 der Einspritzstrahlen9 ,9' beim Auftreffen auf den Stufenraum7 beidseitig in die Umfangsrichtung16 umgelenkt, so dass die jeweils dritten Teilmengen13 ,13' benachbarter Einspritzstrahlen9 ,9' aufeinander zulaufen. In ihrem Treffpunkt sind die Umlenkmittel18 bzw. die Ablenknasen23 (4 bis6 ) angeordnet, die in den7 bis10 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Im übrigen kann es auch zweckmäßig sein, auf die Umlenkmittel18 bzw. die Ablenknasen23 (4 bis6 ) zu verzichten. -
8 zeigt als nachfolgendes Phasenbild die Anordnung nach7 etwa 25° Kurbelwinkel nach dem Spritzbeginn. Die Ausbildung und Umlenkung der dritten Teilmenge13 ,13' in die Umfangsrichtung16 hat dazu geführt, dass die jeweils dritten Teilmengen13 ,13' benachbarter Einspritzstrahlen9 ,9' in der Umfangsrichtung16 aufeinandergetroffen sind. Sofern Umlenkmittel18 bzw. Ablenknasen23 (4 bis6 ) vorgesehen sind, findet an deren Ort das Zusammentreffen der benachbarten Teilmengen13 ,13' statt. Die Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes zur Ausbildung der Einspritzstrahlen9 ,9' erfolgt mit einem Druck > 1700 bar, bevorzugt > 2000 bar und wird im gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere mit etwa 2150 bar durchgeführt. In Verbindung mit der geometrischen Auslegung der Einspritzlöcher25 (1 ) und die gegenseitige Abstimmung vom Kegelwinkel α (1 ), Einspritzbeginn, Einspritzdauer und geometrischer Auslegung der Kolbenmulde6 und des Stufenraums7 treffen die jeweils dritten Teilmengen13 ,13' der benachbarten Einspritzstrahlen9 ,9' in der Umfangsrichtung16 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s, hier bevorzugt von etwa 30 m/s aufeinander. - Im weiteren Phasenbild nach
9 ist die Ausbreitung des eingespritzten Kraftstoffes bei etwa 34° Kurbelwinkel nach Spritzbeginn dargestellt. Die aufeinandergetroffenen Teilmengen13 ,13' benachbarter Einspritzstrahlen9 9' sind gegenüber dem Phasenbild nach8 aus ihrer Bewegungsrichtung in der Umfangsrichtung16 heraus entgegen der Radialrichtung15 nach innen zur Zylinderachse26 hin umgelenkt. Diese Umlenkung wird durch den Stufenraum7 (1 bis8 ), gegebenenfalls unterstützt durch die Umlenkmittel18 bzw. Ablenknasen23 (4 bis6 ) hervorgerufen. -
10 zeigt schließlich eine perspektivische Ausschnittsdarstellung des Zylinders1 mit dem Kolben2 im Bereich eines einzelnen Einspritzstrahles9 im zeitlichen Zustand nach9 . Demnach ist der in der Radialrichtung15 nach außen auf den Stufenraum7 gerichtete Einspritzstrahl9 nach dem Auftreffen auf den Stufenraum7 in drei Teilmengen11 ,12 ,13 aufgeteilt. Bezogen auf deren weiter oben näher beschriebene Ausbreitungsrichtung bilden sich an ihren jeweiligen Vorderseiten insgesamt drei verschiedene Verbrennungsfronten28 ,29 ,30 aus. Insbesondere hat sich die entgegen der radialen Richtung15 ausbreitende dritte Teilmenge13 und die mit ihr einhergehende dritte Verbrennungsfront30 zeitlich erst nach der ersten Teilmenge11 und der zweiten Teilmenge12 mit den zugehörigen Verbrennungsfronten28 ,29 ausgebildet. Die dritte Verbrennungsfront30 liegt bezogen auf die Umfangsrichtung16 zwischen benachbarten Einspritzstrahlen9 ,9' (7 bis9 ) und bezogen auf die Axialrichtung14 oberhalb der Kolbenmulde6 mit der ersten Teilmenge11 und der ersten Verbrennungsfront28 . Dort steht noch genügend Restsauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung. Als Folge davon sinkt die Rußemission. Durch die zeitverzögerte Entstehung der dritten Verbrennungsfront30 wird auch die Ausbildung von lokalen Spitzentemperaturen im Brennraum4 vermieden bzw. verringert. Dies trägt zur Verminderung der Stickoxid-Entstehung bei. Auch die Nachoxidation von Ruß wird begünstigt. Die zweite Teilmenge12 wird durch die Ablenkung in die Axialrichtung14 in ihrer Ausbreitung zur Zylinderwand (Radialrichtung15 ) gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich abgebremst. Bei 34° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (9 ) haben die Kraftstoffteilchen noch keinen Wandkontakt und erreichen die Wand des Zylinders1 erst bei etwa 36° Kurbelwinkel. Der Eintrag des Russanteiles ins Motoröl an der Wand des Zylinders1 kann vermindert werden. - Der besseren Übersichtlichkeit halber sind in den
7 bis10 auch solche gleichen Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen, die vorstehend im Zusammenhang mit jeweils einer einzelnen Fig. nicht näher benannt sind.
Claims (19)
- Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mindestens einen Zylinder (
1 ), einen im Zylinder (1 ) auf und ab geführten Kolben (2 ), einen Zylinderkopf (3 ) und einen durch den Zylinder (1 ), den Kolben (2 ) und den Zylinderkopf (3 ) begrenzten Brennraum (4 ) umfaßt, wobei in einen Kolbenboden (5 ) des Kolbens (2 ) eine Kolbenmulde (6 ) eingeformt ist, die im Übergangsbereich zum Kolbenboden (5 ) in einen im wesentlichen ringförmigen Stufenraum (7 ) übergeht, und wobei ein Injektor (8 ) für Kraftstoff in den Brennraum (4 ) mündet, mittels dessen über seinen Umfang verteilt mehrere Einspritzstrahlen (9 ,9' ) von Kraftstoff entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen (10 ) in den Brennraum (4 ) eingespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzstrahlen (9 ,9' ) derart zum Stufenraum (7 ) hin geführt und dort umgelenkt werden, dass eine erste Teilmenge (11 ) von Kraftstoff in einer Axialrichtung (14 ) und einer Radialrichtung (15 ) in die Kolbenmulde (6 ) umgelenkt wird, dass eine zweite Teilmenge (12 ) von Kraftstoff in der Axialrichtung (14 ) und der Radialrichtung (15 ) über den Kolbenboden (5 ) in den Brennraum (4 ) umgelenkt wird, und dass eine dritte Teilmenge (13 ) von Kraftstoff in eine Umfangsrichtung (16 ) umgelenkt wird, wobei die jeweils dritten Teilmengen (13 ,13' ) benachbarter Einspritzstrahlen (9 ,9' ) in der Umfangsrichtung (16 ) aufeinandertreffen und anschließend in der Radialrichtung (15 ) nach innen umgelenkt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kegelwinkel (α) der kegelförmig angeordneten Strahlachsen (
10 ), Einspritzbeginn und Einspritzdauer derart aufeinander abgestimmt sind, dass mindestens 30%, insbesondere einschließlich 30% bis einschließlich 80% der eingespritzten Kraftstoffmenge auf den Stufenraum (7 ) trifft. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig eines Auftreffpunktes (
17 ) der Strahlachse (10 ) auf den Stufenraum (7 ) Umlenkmittel (18 ) im Stufenraum (7 ) vorgesehen sind, wobei die Umlenkmittel (7 ) die dritte Teilmenge (13 ) von Kraftstoff von der Umfangsrichtung (16 ) in die Radialrichtung (15 ) nach innen umlenken. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des Kraftstoffes mit einem Druck > 1700 bar, bevorzugt > 2000 bar, und insbesondere mit etwa 2150 bar erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils dritten Teilmengen (
13 ,13' ) benachbarter Einspritzstrahlen (9 ,9' ) in der Umfangsrichtung (16 ) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s, insbesondere von etwa 30m/s aufeinandertreffen. - Brennkraftmaschine, vorgesehen für den Betrieb nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Brennkraftmaschine eine direkteinspritzende, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (
1 ), einem im Zylinder (1 ) auf und ab geführten Kolben (2 ), einem Zylinderkopf (3 ) und einem durch den Zylinder (1 ), den Kolben (2 ) und den Zylinderkopf (3 ) begrenzten Brennraum (4 ) ist, wobei in einen Kolbenboden (5 ) des Kolbens (2 ) eine Kolbenmulde (6 ) eingeformt ist, die im Übergangsbereich zum Kolbenboden (5 ) in einen im wesentlichen ringförmigen Stufenraum (7 ) übergeht, und wobei ein Injektor (8 ) für Kraftstoff in den Brennraum (4 ) mündet, der zur Einspritzung von mehreren über seinen Umfang verteilten Einspritzstrahlen (9 ,9' ) von Kraftstoff entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen (10 ) in den Brennraum (4 ) vorgesehen ist, und dessen Strahlachsen (10 ) zumindest in einem Teil des Zeitraums der Einspritzung auf den Stufenraum (7 ) gerichtet sind. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand (
19 ) des Stufenraumes (7 ) im Querschnitt konkav als Kreisbogenausschnitt oder als Ellipsenausschnitt mit einem Radius (R2) ausgebildet ist, der in einem Bereich von einschließlich 3% bis einschließlich 30% eines Radius (R1) der Kolbenmulde (6 ) liegt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (
19 ) des Stufenraumes (7 ) im Querschnitt durch eine gerade Umfangswand (20 ), einen geraden Boden (21 ) und eine konkav gekrümmte Übergangswand (22 ) gebildet ist, wobei die Umfangswand (20 ) gegenüber einer Axialrichtung (14 ) in einem Bereich von einschließlich +10° bis einschließlich –30° geneigt ist, und/oder wobei der Boden (21 ) gegenüber einer Radialrichtung (15 ) in einem Bereich von einschließlich +30° bis einschließlich –40° geneigt ist, und/oder wobei die konkav gekrümmte Übergangswand (22 ) einen Radius (R3) in einem Bereich von einschließlich 1,5% bis einschließlich 20% des Radius (R1) der Kolbenmulde (6 ) aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (h) des Stufenraumes (
7 ) in der Axialrichtung (14 ) in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 30% des Radius (R1) der Kolbenmulde (6 ) liegt, und dass eine Breite (b) des Stufenraumes (7 ) in der Radialrichtung (15 ) in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 30% des Radius (R1) der Kolbenmulde (6 ) liegt. - Brennkraftmaschine einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig eines Auftreffpunktes (
17 ) der Strahlachse (10 ) auf den Stufenraum (7 ) Umlenkmittel (18 ) im Stufenraum (7 ) angeordnet sind, die zur Umlenkung einer dritten Teilmenge (13 ) von Kraftstoff von einer Umfangsrichtung (16 ) in die Radialrichtung (15 ) nach innen vorgesehen sind. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel (
18 ) als in der Radialrichtung (15 ) und der Axialrichtung (14 ) nach innen von der Wand (19 ) des Stufenraumes (7 ) aus und in Richtung der Kolbenmulde (6 ) bzw. des Brennraumes (4 ) hervorstehende Ablenknasen (23 ) ausgebildet sind. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenraum (
7 ) in der Umfangsrichtung (16 ) und der Radialrichtung (15 ) kreisbogenförmig konkav in die Ablenknase (23 ) übergeht. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der kreisbogenförmige Übergang einen Radius (R4) aufweist, der in einem Bereich von einschließlich 5% bis einschließlich 50% des Radius (R1) der Kolbenmulde (
6 ) liegt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenraum (
7 ) in der Umfangsrichtung (16 ) und der Radialrichtung (15 ) elliptisch konkav in die Ablenknase (23 ) übergeht. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Übergang eine kleine Halbachse (R5) und eine große Halbachse (R6) aufweist, wobei die kleine Halbachse (R5) in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 25% und die große Halbachse (R6) in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 60% des Radius (R1) der Kolbenmulde (
6 ) liegt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (h1) der Ablenknase (
23 ) in der Axialrichtung (14 ) in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Höhe (h) des Stufenraumes (7 ) liegt, dass eine Breite (b1) der Ablenknase (23 ) in der Radialrichtung (15 ) in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Breite (b) des Stufenraumes (7 ) liegt, und dass eine axiale Stirnfläche (24 ) der Ablenknase (23 ) um einen Winkel (β) in einem Bereich von einschließlich 0° bis einschließlich 40° gegenüber der Radialrichtung (15 ) nach innen in die Kolbenmulde (6 ) hinein geneigt ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (
8 ) über seinen Umfang insbesondere gleichmäßig verteilt sieben bis zwölf, bevorzugt acht bis zehn Einspritzlöcher (25 ) aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzloch (
25 ) des Injektors (8 ) eine Länge (L) und einen Durchmesser (D) aufweist, wobei das Verhältnis der Länge (L) zum Durchmesser (D) in einem Bereich von einschließlich 3,0 bis einschließlich 11,0 liegt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strahlachsen (
10 ) der Einspritzstrahlen (9 ) auf einem einzigen gemeinsamen Kegelmantel angeordnet sind.
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