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Die
Erfindung betrifft eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit
- • mindestens
einem Zylinder, in welchem durch einen Kolbenboden eines Kolbens,
einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf ein Brennraum ausgebildet
ist,
- • einer
im Zylinderkopf – auf
der gegenüberliegenden
Seite des Kolbenbodens – angeordneten
Einspritzeinrichtung, mit der Kraftstoff direkt in den Brennraum
einspritzbar ist, und
- • einer
im Zylinderkopf – auf
der gegenüberliegenden
Seite des Kolbenbodens – angeordneten Zündeinrichtung,
mit der die Fremdzündung
einleitbar ist, wobei
- • eine
Aufladung vorgesehen ist, und
- • zwei
Einlaßkanäle zur Versorgung
des Brennraums mit Frischluft vorgesehen sind, die beide in der
Art ausgebildet sind, daß die
einströmende Frischluft
während
eines Ladungswechsels im Brennraum eine Tumble-Strömung ausbildet.
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Des
weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer
derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine
Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise in
der
US 2003/0024499 A1 beschrieben.
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Aufgrund
der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund
der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung
von Kraftstoffen für
den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung
von Verbrennungsmotoren ständig
bemüht, den
Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der
Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen
einzuhalten. Daher steht die Entwicklung verbrauchsoptimierter Brennverfahren
im Vordergrund der Bemühungen.
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Problematisch
ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere aufgrund des schlechteren
Wirkungsgrades bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren
des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet
mit einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch, daß durch äußere Gemischbildung aufbereitet
wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff eingebracht
wird. Die Einstellung der gewünschten
Leistung erfolgt durch Veränderung
der Füllung
des Brennraumes, so daß dem
Arbeitsverfahren des Ottomotors – anders als beim Dieselmotor – eine Quantitätsregelung
zugrunde liegt.
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Diese
Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt
vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann
der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder
weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen
ist d. h. je mehr sie den Ansaugtrakt versperrt desto höher ist
der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg
und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft hinter der
Drosselklappe und vor dem Einlaß in
den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den
Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d.h. die Quantität eingestellt
werden. Dies erklärt
auch, weshalb sich diese Art der Quantitätsregelung gerade im Teillastbereich
als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe
Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugtrakt.
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Die
Quantitätsregelung
mittels Drosselklappe hat somit – insbesondere aufgrund der
hohen Drosselverluste im Teillastbereich – thermodynamische Nachteile.
Um die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene
Strategien zur Laststeuerung entwickelt.
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Ein
Lösungsansatz
zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht
in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu
konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile
als auch die Steuerzeiten, d. h. die Öffnungs- und Schließzeiten
der Einlaß-
und Auslaßventile,
bedingt durch die nicht flexible, da nicht verstellbare Mechanik
des Ventiltriebes als unveränderliche
Größen vorgegeben
sind, können
diese den Verbrennungsprozeß und
damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler
Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Die ideale
Lösung
wäre eine
voll variable Ventilsteuerung, die für jeden beliebigen Betriebspunkt
des Ottomotors speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten
zuläßt.
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Spürbare Kraftstoffeinsparungen
können aber
auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden. Mit
derartigen Ventiltrieben kann beispielsweise die Schließzeit des
Einlaßventils
variiert werden. Die während
des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dabei nicht
wie bei konventionellen Ottomotoren mittels einer im Ansaugtrakt
angeordneten Drosselklappe gesteuert d.h. bemessen, sondern über die Öffnungsdauer
des Einlaßventils.
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Eine
Möglichkeit,
die Steuerzeiten der Ventile zu variieren, besteht in der Verwendung
einer Nockenwellenverstellvorrichtung, mit welcher die Nockenwelle
gegenüber
der Kurbelwelle um einen gewissen Winkel verdreht werden kann, so
daß die Steuerzeiten
nach früh
oder spät
verschoben werden.
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Ein
anderer Lösungsansatz
zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von Ottomotoren basiert
auf der Übernahme
technischer Merkmale, die ursprünglich
als Kennzeichen des dieselmotorischen Verfahrens galten. Dies führt zu neuen
sogenannten hybriden Brennverfahren.
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Das
traditionelle ottomotorische Verfahren ist dabei gekennzeichnet
durch eine Gemischverdichtung, ein homogenes Gemisch, eine Fremdzündung, sowie
die Quantitätsregelung,
wohingegen das dieselmotorische Verfahren charakterisiert ist durch
eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und
die Qualitätsregelung.
Der geringe Kraftstoffverbrauch der Dieselmotoren resultiert unter
anderem aus einem hohen Verdichtungsverhältnis und geringen Ladungswechselverlusten
aufgrund der Qualitätsregelung
des Dieselmotors, bei der die Last über die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert
wird.
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Insbesondere
die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders
wird als eine geeignete Maßnahme
angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu
reduzieren, weshalb die Entwicklung direkteinspritzender Ottomotoren
zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine
ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aufgrund der – mit einer Direkteinspritzung
prinzipbedingt verbundenen – Innenkühlung des
Brennraums bzw. des Gemisches, wodurch eine höhere Verdichtung und/oder Aufladung
und folglich eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffes ohne die für den Ottomotor
sonst charakteristische frühzeitige
Selbstentzündung
des Kraftstoffes, dem sogenannten Klopfen, möglich erscheint.
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Die
direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ist darüber hinaus
ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung,
die ebenfalls zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren
beiträgt,
da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr
weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb
d.h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen
sind, thermodynamische Vorteile bietet.
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Die
Schichtladung ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet,
wobei im Bereich der Zündeinrichtung
ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch
mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration vorliegt, während in
den darunter befindlichen Gemischschichten geringere Kraftstoffkonzentration
d. h. größere lokale
Luftverhältnisse
(λ > 1) vorliegen, was
letztendlich zu einer insgesamt sehr mageren Brennraumladung führt mit Gesamtluftverhältnissen λ >> 1.
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Infolge
der Direkteinspritzung liegt – insbesondere
im Schichtladebetrieb – während der
Zündung
und Verbrennung ein mehr oder weniger starkes inhomogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor, welches
nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist,
sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als
auch fette (λ < 1) Gemischteile
aufweist. Die Bildung des für
das dieselmotorische Verfahren charakteristischen Rußes, der
in Gemischteilen mit einem unterstöchiometrischen Luftverhältnis (λ < 0.7) und bei Temperaturen
oberhalb 1300°K
unter extremen Luftmangel gebildet wird, muß dabei unter Umständen in
Kauf genommen werden.
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Bei
der Direkteinspritzung wird der Kraftstoff vorzugsweise während der
Kompressionsphase direkt in den Brennraum d. h. in den Zylinder
der Brennkraftmaschine eingespritzt. Für die Einspritzung des Kraftstoffes,
die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von
Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen
von Vorreaktionen einschließlich
der Verdampfung, sowie der Zündung
des aufbereiteten Gemisches stehen vergleichsweise kurze Zeiträume in der
Größenordnung
von Millisekunden zur Verfügung.
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Bedingt
durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum,
die nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches
zur Verfügung
stellt, sind direkteinspritzende ottomotorische Verfahren wesentlich empfindlicher
gegenüber Änderungen
und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere bei der Einspritzung, und
der Zündung
als herkömmliche ottomotorische
Verfahren. Dabei erschwert die Inhomogenität des Gemisches bei direkteinspritzenden Ottomotoren
grundsätzlich
eine sichere und definierte Entzündung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Aus
den genannten Gründen
wird zum einen eine Verbesserung der Gemischaufbereitung angestrebt.
Zum anderen ist eine sehr feine – sowohl räumliche als auch zeitliche – Abstimmung
von Einspritzung und Zündung
erforderlich, insbesondere eine aufeinander abgestimmte Anordnung
der Einspritzeinrichtung und der Zündeinrichtung im Brennraum,
was schon aufgrund des sehr begrenzten Platzangebots im Zylinderkopf
der Brennkraftmaschine nur bedingt möglich ist. Zu berücksichtigen
ist dabei, daß im
Zylinderkopf bereits die Steuerorgane – in der Regel Tellerventile – und Ölkanäle und gegebenenfalls
die Kühlkanäle einer
Wasserkühlung
vorgesehen sind, so daß insbesondere
bei den nach dem Stand der Technik bevorzugten Vier-Ventil-Motoren, die
sich aufgrund des großen
für den
Ladungswechsel bereitgestellten Strömungsquerschnittes durch einen
optimierten Gaswechsel auszeichnen, sehr beengte Platzverhältnisse
vorliegen.
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Im
wesentlichen können
drei Verfahren, die beim direkteinspritzenden Ottomotor zur Gemischbildung
und Verbrennung Verwendung finden, unterschieden werden, nämlich das
luftgeführte,
das wandgeführte
und das strahlgeführte
Verfahren.
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Beim
luftgeführten
Brennverfahren wird versucht, die Gemischbildung mittels einer der
Einlaßströmung – beim Ansaugen
der Luft in den Brennraum – aufgezwungenen
Bewegung zu beeinflussen. Auf diese Weise soll im Volllastbetrieb
eine gute Durchmischung der angesaugten Luft mit dem direkt eingespritzten
Kraftstoff erzielt werden. Dabei kann die Erzeugung eines sogenannten
Tumbles zusammen mit einem gegen diese Luftströmung bzw. Ladungsbewegung gerichteten
Einspritzstrahl zielführend
sein.
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Ein
Tumble ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel
zur Längsachse
der Kurbelwelle verläuft,
im Gegensatz zu einem Drall, der einen Luftwirbel darstellt, dessen
Achse parallel zur Kolben- bzw. Zylinderlängsachse verläuft. Es wird
eine möglichst
weiträumige
Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum angestrebt.
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Es
wird eine zentral im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung und eine seitlich
angeordnete Einspritzvorrichtung verwendet, wobei ein direktes Auftreffen
des eingespritzten Kraftstoffes auf die Innenwände des Brennraums durch die
erzeugte Ladungsbewegung bzw. Strömung verhindert werden soll.
Hingegen soll die ausgebildete Luftströmung den eingespritzten Kraftstoff
in die Nähe
der Zündeinrichtung
transportieren und dort für
ein zündfähiges Gemisch
sorgen.
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Zur
Ausbildung einer geschichteten Brennraumladung im Teillastbetrieb
ist das luftgeführte
Verfahren nur bedingt geeignet, da die ausgebildeten Luftströmungen nur
schwer zu steuern sind und in hohem Maße von der Motorendrehzahl
beeinflußt werden.
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Beim
wandgeführten
Verfahren wird der Kraftstoff in der Art in den Brennraum eingespritzt, daß der Einspritzstrahl
gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet wird,
vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl
soll dabei durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten
und umgelenkt werden, so daß ein
möglichst
großer
Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfaßt wird.
Insbesondere muß ein
Teil des eingespritzten Kraftstoffes in die Nähe der Zündeinrichtung gelenkt werden,
um dort mit der angesaugten Luft ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch
auszubilden.
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Bedingt
durch das – oben
beschriebene – Prinzip,
das der Gemischbildung des wandgeführten Verfahrens zugrunde liegt
und welches insbesondere durch einen vergleichsweise großen Zeitbedarf
zur Bildung eines Gemisches gekennzeichnet ist, leidet dieses Verfahren
unter bestimmten Einschränkungen,
die es zur Ausbildung einer Schichtladung ungeeignet erscheinen
lassen. Der Einspritzzeitpunkt muß in der Weise gewählt werden,
daß der
eingespritzte Kraftstoff genügend
Zeit hat, auf die Innenwände
zu treffen, umgelenkt zu werden und in die Nähe der Zündeinrichtung zu gelangen,
wobei zusätzlich
das Gemisch soweit aufzubereiten ist, daß keine erhöhten Schadstoffkonzentrationen
zu befürchten
sind.
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Wie
beim luftgeführten
Verfahren kommen eine zentral im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung
und eine seitlich angeordnete Einspritzvorrichtung zur Anwendung.
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Beim
strahlgefühhrten
Verfahren wird der Kraftstoff gezielt in Richtung Zündeinrichtung
eingespritzt, was durch eine entsprechende Ausrichtung des Einspritzstrahls
erreicht wird bzw. durch eine entsprechend abgestimmte Anordnung
von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung,
beispielsweise durch eine Anordnung der Zündeinrichtung in unmittelbarer Nähe zur Einspritzeinrichtung.
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Eine
derartige Anordnung zeigen beispielsweise die
WO 2006/048134 A1 und
die
EP 1 319 822 A1 ,
in denen jeweils eine Brennkraftmaschine beschrieben wird, der ein
strahlgeführtes
Brennverfahren zugrunde liegt, wobei sowohl die Zündeinrichtung als
auch die Einspritzeinrichtung zentral im Zylinderkopf auf der dem
Kolbenboden gegenüberliegenden Seite
angeordnet sind.
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Beim
strahlgeführten
Verfahren erfolgt der Gemischtransport – unabhängig von der Brennraumgeometrie – im wesentlichen
durch den Impuls des Einspritzstrahls, wobei die Bewegung der angesaugten
Luft von untergeordneter Bedeutung ist. Im Vergleich zu den zuvor
beschriebenen Verfahren ist daher die Ausdehnung der aufbereiteten
Kraftstoff-Luft-Gemischwolke
begrenzt.
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Aus
diesem Grund wird das strahlgeführte Verfahren
insbesondere für
den geschichteten Betrieb der Brennkraftmaschine als besonders geeignet angesehen,
weil durch die gezielte Einspritzung des Kraftstoffes in Richtung
der Zündeinrichtung
und die Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung in unmittelbarer
Nähe zueinander
einerseits ein zündfähiges Gemisch
in einem engen Bereich um die Zündeinrichtung
herum ausgebildet werden kann, andererseits aber in weiten Bereichen
des Brennraums eine geringe Kraftstoffkonzentration vorliegt. Dies
ermöglicht
eine extreme Abmagerung bzw. einen sehr mageren Betrieb des Ottomotors
und damit eine sehr weitgehende Entdrosselung der Brennkraftmaschine
d.h. den höchsten
thermodynamischen Wirkungsgrad im Vergleich zu den beiden anderen
Brennverfahren, nämlich
dem luftgeführten und
dem wandgeführten
Verfahren.
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Die
Direkteinspritzung des Kraftstoffes ist in der Regel mit einer teilweise
erhöhten
Schadstoffemission verbunden. Auch dahingehend verspricht das strahlgeführte Verfahren
bei direkteinspritzenden Ottomotoren Vorteile d. h. eine Verbesserung
des durch die Direkteinspritzung hervorgerufenen d. h. verschlechterten
Emissionsverhaltens.
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Eine
Maßnahme
zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs in einem weiten Drehzahl-
und Lastbereich bildet die Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei
die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung
ist, bei dem die für
den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird,
wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden
kann. Dadurch können
die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck pme gesteigert
werden. Häufig
wird eine Ladeluftkühlung
vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt
in den Brennraum runtergekühlt wird,
was den Füllungsgrad
weiter erhöht.
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Die
Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung
einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den
Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer
Erhöhung
der Bauraumleistung und einer günstigeren
Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich
so das Lastkollektiv zu höheren
Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger
ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
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Die
Aufladung unterstützt
folglich das ständige
Bemühen,
den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungskraftmaschinen zu minimieren,
d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Aus
den genannten Gründen
hat sich in den letzten Jahren eine Entwicklung hin zu kleinen,
hochaufgeladenen Motoren vollzogen.
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Vorteilhaft
wäre es,
das eingangs beschriebene strahlgeführte Brennverfahren mit einer
Aufladung der Brennkraftmaschine zu kombinieren d. h. beide Konzepte
zur Kraftstoffreduzierung gemeinsam anzuwenden und in einem Verfahren
zum Betreiben der Brennkraftmaschine zu vereinen. Das Ziel wäre dann,
eine aufgeladene direkteinspritzende und fremdgezündete Brennkraftmaschine
bereitzustellen, mit der Verbrauchsvorteile in weiten Drehzahl- und
Lastbereichen realisierbar sind.
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Die
Kombination von Aufladung und strahlgeführtem Brennverfahren wirft
aber Probleme auf, die sich aus den teilweise konkurrierenden Randbedingungen
beider Verfahren ergeben.
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So
erfordert die aufgeladene Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb
eine sehr ausgeprägte
Ladungsbewegung im Brennraum, um die vergleichsweise große eingespritzte
Kraftstoffmenge möglichst weiträumig im
Brennraum zu verteilen und für
eine möglichst
weitgehende Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum
zu sorgen.
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Hingegen
reagiert das strahlgeführte
Brennverfahren, welches insbesondere hohe Verbrauchsvorteile im
Teillastbereich verspricht und bei dem der Gemischtransport im wesentlichen
durch den Impuls des Einspritzstrahls erfolgen soll, empfindlich
auf eine verstärkte
Bewegung der angesaugten Luft.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik
bekannten Probleme überwunden
werden können
und die insbesondere die Konzepte der Aufladung und des strahlgeführten Brennverfahrens
in sich vereint, um den Kraftstoffverbrauch in weiten Drehzahl-
und Lastbereichen zu reduzieren.
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Eine
weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird
die erste Aufgabe durch eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit
- • mindestens
einem Zylinder, in welchem durch einen Kolbenboden eines Kolbens,
einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf ein Brennraum ausgebildet
ist,
- • einer
im Zylinderkopf – auf
der gegenüberliegenden
Seite des Kolbenbodens – angeordneten
Einspritzeinrichtung, mit der Kraftstoff direkt in den Brennraum
einspritzbar ist, und
- • einer
im Zylinderkopf – auf
der gegenüberliegenden
Seite des Kolbenbodens – angeordneten Zündeinrichtung,
mit der die Fremdzündung
einleitbar ist, wobei
- • eine
Aufladung vorgesehen ist, und
- • zwei
Einlaßkanäle zur Versorgung
des Brennraums mit Frischluft vorgesehen sind, die beide in der
Art ausgebildet sind, daß die
einströmende Frischluft während eines
Ladungswechsels im Brennraum eine Tumble-Strömung ausbildet,
und
die dadurch gekennzeichnet ist, daß
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- • ein
Einlaßkanal
als abschaltbarer Einlaßkanal ausgebildet
ist, der mittels einer Schaltvorrichtung in einen abgeschalteten
Zustand überführbar ist, in
dem dieser abgeschaltete Einlaßkanal
den Brennraum nicht mehr mit Frischluft versorgt, wodurch die Tumble-Strömung in
einen Drall überführbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über ein
System aus Einlaßkanälen, die
in der Art ausgebildet sind und aktiviert d.h. geschaltet werden
können,
daß der
Frischluftströmung
wahlweise genau die Ladungsbewegung beim Eintritt in den Brennraum
aufgezwungen wird, die zur Gemischbildung bzw. -aufbereitung unter
den momentan vorliegenden Betriebsbedingungen benötigt wird
bzw. zu bevorzugen ist.
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Hierzu
verfügt
die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine über zwei
Einlaßkanäle, die
beide in der Art ausgebildet und am Zylinder angeordnet sind, daß die durch
die beiden geöffneten
Einlaßkanäle im Rahmen
eines Ladungswechsels einströmende Frischluft
im Brennraum einen Tumble ausbildet d. h. einen Luftwirbel, der
um eine gedachte, parallel zur Längsachse
der Kurbelwelle verlaufende Achse rotiert.
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Der
Tumble ist gerade die spezifische Ladungsbewegung, die zu bevorzugen
ist, wenn größere Kraftstoffmengen
eingespritzt werden, was beispielsweise im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine
der Fall ist.
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Die
Tumble-Strömung
wird im Rahmen der Kompression, wenn sich der Kolben in Richtung
des Zylinderkopfes bewegt, nicht aufrechterhalten, sondern unter
Ausbildung von Turbulenzen aufgelöst. Gerade diese Turbulenzen
unterstützen
aber die weiträumige
Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum und sind daher
geeignet, eine weitgehende Homogenisierung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches
herbeizuführen.
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Aus
diesem Grund sind auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen Quetschflächen im
Bereich des Zylinderkopfes vorgesehen sind, durch die die Transformation
der Tumble-Strömung
in Turbulenzen während
der Kompressionsphase unterstützt
wird.
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Folglich
liefern die beiden geöffneten
Einlaßkanäle die – insbesondere
für den
Vollastbetrieb der aufgeladenen Brennkraftmaschine geforderte – ausgeprägte Ladungsbewegung,
um große
Kraftstoffmengen möglichst
weiträumig
im Brennraum zu verteilen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch möglichst weitgehend
zu homogenisieren.
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Ein
Einlaßkanal
der beiden Einlaßkanäle der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
ist als abschaltbarer Einlaßkanal
ausgebildet. Hierzu ist eine Schaltvorrichtung vorgesehen, mit der
dieser Einlaßkanal
abgeschaltet bzw. zugeschaltet werden kann. Das "Abschalten" des Kanals kann auch als "Deaktivieren" und das "Zuschalten" auch als "Aktivieren" bezeichnet werden,
wobei der abschaltbare Kanal nur in seinem zugeschalteten Zustand
und Offenstehen des entsprechenden Einlaßventils den Brennraum mit
Frischluft versorgt.
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Wird
der schaltbare Einlaßkanal
deaktiviert, bildet die durch den anderen d.h. die durch den verbleibenden
Einlaßkanal
im Rahmen des Ladungswechsels einströmende Frischluft im Brennraum
einen Drall aus. Dabei handelt es sich um einen Luftwirbel, der – im Gegensatz
zu einem Tumble – um eine
gedachte Achse rotiert, die parallel zur Längsachse des Kolbens bzw. des
Zylinders verläuft,
so daß die
Rotationsachsen eines Tumbles und eines Dralls senkrecht aufeinander
stehen.
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Die
Ausrichtung des Dralls um die Zylinderlängsachse hat zur Folge, daß die Drall-Strömung in der
Kompressionsphase aufrechterhalten werden kann. Die Drall-Strömung eignet
sich daher insbesondere zur Ausbildung einer Schichtladung mittels strahlgeführtem Verfahren,
bei dem der Gemischtransport im wesentlichen durch den Impuls des
Einspritzstrahls erfolgen sollte. Deshalb wird im Teillastbetrieb
der Brennkraftmaschine, bei dem die Brennkraftmaschine zur Entdrosselung
vorzugsweise im Schichtladebetrieb betrieben wird, eine Drall-Strömung bevorzugt
und die Tumble-Strömung
durch Deaktivieren des abschaltbaren Einlaßkanals in einen Drall überführt.
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Der
aus dem Stand der Technik bekannte Konflikt, der sich aus den konkurrierenden
Anforderungen einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine ergibt,
die sowohl aufgeladen ist als auch ein strahlgeführtes geschichtetes Brennverfahren
in der Teillast anwendet, wird somit durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
bzw. durch einen entsprechend ausgebildeten und veränderbaren
d.h. schaltbaren Einlaßbereich
aufgelöst.
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Dadurch
wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der
Technik bekannten Probleme überwunden
werden können
und die insbesondere die Konzepte der Aufladung und des strahlgeführten Brennverfahrens
in sich vereint, um den Kraftstoffverbrauch in weiten Drehzahl-
und Lastbereichen zu reduzieren.
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Durch
die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
werden die Einsatzmöglichkeiten
des geschichteten, direkteinspritzenden und strahlgeführten Brennverfahrens
im Hinblick auf die möglichen
Drehzahl- und Lastbereiche erheblich erweitert und sowohl die thermodynamische
Effizienz d.h. der Kraftstoffverbrauch, als auch das Emissionsverhalten
erheblich verbessert.
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Da
sich während
des Ladungswechsels in der Regel keine reine Tumble-Strömung bzw.
keine reine Drall-Strömung
im Brennraum ausbildet, sondern vielmehr eine Strömung, deren
Rotationsachse mehr oder weniger stark gegenüber der Zylinderlängsachse
bzw. der Kurbelwellenachse geneigt ist, soll im Rahmen der vorliegenden
Erfindung ein Luftwirbel als Tumble bezeichnet werden, wenn die Tumble-Komponente
dieser Strömung
größer ist
als die Drall-Komponente, wohingegen ein Luftwirbel als Drall bezeichnet
wird, wenn die Drall-Komponente dieser
Strömung
größer ist
als die Tumble-Komponente.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
werden im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder mit
zwei Auslaßkanälen ausgestattet
ist. Im Vergleich zu Ausführungsformen,
bei denen lediglich ein Auslaßkanal
zum Abführen
der Verbrennungsgase aus dem Brennraum eines Zylinders vorgesehen ist,
verfügt
die in Rede stehende Ausführungsform über einen
vergrößerten Strömungsquerschnitt
auf der Auslaßseite,
was den Ladungswechsel verbessert.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Aufladung eine Abgasturboaufladung
ist.
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Dabei
wird für
die Aufladung mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem
ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind,
wobei der heiße
Abgasstrom der Turbine zugeführt
wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch
die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und
schließlich
an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls
auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und
komprimiert die ihm zugeführte
Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
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Die
Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu mechanischen
Ladern bestehen darin, daß keine
mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und
Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein
mechanischer Lader die für
seinen Antrieb benötigte
Energie vollständig
von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte
Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig
beeinflußt,
nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Für spezielle
Anwendungen können
aber auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Aufladung
mit mindestens einem mechanischen Lader, beispielsweise einem Kompressors,
realisiert wird; gegebenenfalls auch in Kombination mit einer Abgasturboaufladung
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Bei
einer Brennkraftmaschine, bei der mit dem Kolben eine Kurbelwelle
in Drehung versetzt wird, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei
denen die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung in Richtung der
Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind.
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Bei
dieser Ausführungsform
erfolgt die Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung
in Richtung der Längsachse
der Brennkraftmaschine, wie bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand
der
EP 1 319 822 A1 ist,
und im Gegensatz zu der Brennkraftmaschine, die in der
WO 2006/048134 A1 beschrieben
wird. Bei der in der
WO
2006/048134 A1 offenbarten Brennkraftmaschine sind die
Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung
quer eingebaut d.h. quer zur Längsachse
der Brennkraftmaschine.
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Vorteile
bietet diese Ausführungsform
mit Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung in Richtung der
Längsachse
der Brennkraftmaschine insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen
wie der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
wenn berücksichtigt
wird, daß – wie oben
bereits ausgeführt
wurde – die
Aufladung ein geeignetes Mittel ist, bei gleicher Leistung den Hubraum
zu reduzieren, um das Lastkollektiv hin zu höheren Lasten zu verschieben
und dadurch den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
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Diese
als Downsizing bezeichnete Maßnahme
führt infolge
der Hubraumreduzierung zu kleineren Brennkraftmaschinen d. h. zu
Brennkraftmaschinen, deren Zylinder einen reduzierten d.h. vergleichsweise
kleinen Bohrungsdurchmesser aufweisen. Das aufeinander abgestimmte
Anordnen von Einspritz- und Zündeinrichtung,
das durch das geringe Platzangebot im Zylinderkopf ohnehin nur schwer zu
realisieren ist, wird durch das Downsizing somit bei aufgeladenen
Brennkraftmaschinen zusätzlich erschwert.
Der Abstand zwischen den Nockenwellen, die über dem mindestens einen Zylinder
im Zylinderkopf gelagert sind, nimmt durch das Downsizing und die
Verkleinerung des Bohrungsdurchmessers ebenfalls ab.
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Aus
diesen Gründen
ist es vorteilhaft, die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung – in Richtung
der Längsachse
der Brennkraftmaschine gesehen – hintereinander
anzuordnen.
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Vorteilhaft
sind aus den genannten Gründen insbesondere
Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung im wesentlichen
vertikal, vorzugsweise vertikal d. h. parallel zur Kolbenlängsachse,
im Zylinderkopf angeordnet ist.
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Diese
Ausführungsform
trägt dem
infolge des Downsizing verminderten Abstand der Nockenwellen Rechnung
und damit dem Umstand, daß die Einbauposition
der Einspritzeinrichtung bei kleineren Nockenwellenabständen weniger
leicht zugänglich ist
und eine geneigt eingebaute Einspritzeinrichtung einen größeren Nockenwellenabstand
erfordert.
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Die
Montage der Einspritzeinrichtung wird dadurch erleichtert und die
konstruktive Ausgestaltung der Kraftstoffzuführung ebenfalls.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die dem Kolbenboden gegenüberliegende
Innenseite des Zylinderkopfes dachförmig ausgebildet ist. Diese
Form des Zylinderkopfes unterstützt
die Unterbringung der Einspritzeinrichtung und der Zündeinrichtung
im Zylinderkopf in günstiger
Weise, nämlich
dadurch, daß eine
geneigte Anordnung der Steuerorgane des mindestens einen Zylinders
ermöglicht
wird.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Steuerorgane der Einlaßkanäle mit den
Steuerorganen der Auslaßkanäle einen
Winkel α einschließen, mit
15° < α < 60° Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen im Kolbenboden eine Mulde, vorzugsweise
eine omegaförmige
Mulde, vorgesehen ist. Diese Ausführungsform gestattet die Einspritzung
von Kraftstoff in Richtung Kolbenboden bzw. eine dementsprechende
Anordnung und Ausrichtung der Einspritzeinrichtung, ohne daß zu befürchten ist, daß der eingespritzte
Kraftstoff noch in flüssiger Form
auf den Kolbenboden d. h. die Brennrauminnenwand trifft. Vielmehr
wird dem Kraftstoff durch diese Ausgestaltung des Kolbenbodens eine
ausreichende Wegstrecke zur Verfügung
gestellt, um auf dem Weg zum Kolbenboden hin zu verdampfen.
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Sollte
dennoch flüssiger
Kraftstoff auf den Kolbenboden auftreffen, so stellt die omegaförmige Kolbenmulde
sicher, daß der
Kraftstoff weiträumig
im Brennraum verteilt wird und nicht die Zylinderrohrinnenwand erreicht.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung eine
nach außen öffnende
Einspritzdüse
ist, vorzugsweise eine nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitende
Einspritzdüse,
die ihre Düsenspitze
im Rahmen der Einspritzung nach außen hin d. h. in den Brennraum
hinein gerichtet öffnet.
Dabei wird im Bereich der Düsenspitze
ein Ringspalt ausgebildet, mit dem ein hohlkegelförmiger Einspritzstrahl
ausgeformt wird.
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Piezoelektrische
Einspritzdüsen
zeichnen sich durch ihr schnelles Ansprechverhalten aus, was sehr
kurze Schaltzeiten, die im Millisekundenbereich liegen, ermöglicht.
Dies gestattet Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff während eines
einzigen Arbeitsspiels, was insbesondere den Magerbetrieb bzw. den Schichtladebetrieb
der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise unterstützt und
auch in höheren
Drehzahl- und Lastbereichen ermöglicht.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung eine
nach innen öffnende
Mehrlocheinspritzdüse
ist. Diese Mehrlocheinspritzdüse
bietet derzeit gegenüber
der zuvor beschriebenen piezoelektrisch gesteuerten Einspritzdüse noch
Kostenvorteile und sollte vorzugsweise über 4 bis 10 seitlich angeordnete Düsenöffnungen
verfügen.
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Vorteilhaft
sind dabei Ausführungsformen der
Brennkraftmaschine, bei denen die Düsenöffnungen seitlich in der Art
angeordnet sind, daß die
aus den Düsenöffnungen
austretenden Einspritzstrahlen jeweils mit der Längsachse der Einspritzdüse einen Winkel β bilden mit
0° ≤ β ≤ 55°.
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Der
aus den mindestens vier austretenden Einspritzstahlen gebildete
Kegel ist dabei vorzugsweise zur Längsachse der Einspritzdüse geneigt
und in Richtung der Zündeinrichtung
ausgerichtet. Der Bereich der Zündeinrichtung,
an welchem die Fremdzündung
eingeleitet wird, also beispielsweise bei einer Zündkerze
der Bereich um die Elektroden, sollte vorzugsweise außerhalb
der Einspritzstrahlen bzw. außerhalb
der mit flüssigem
Kraftstoff versorgten Brennraumbereiche angeordnet sein, um beispielsweise
eine erhöhte
Schadstoffemission infolge der Verbrennung von unzureichend aufbereitetem
Kraftstoff zu verhindern.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die im Zylinderkopf angeordnete
Einspritzeinrichtung und die im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung
einen Winkel α bilden
mit 15° ≤ α ≤ 30°, wobei Bezug
genommen wird auf die Längsachse
der Einspritzeinrichtung und die Längsachse der Zündeinrichtung.
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Vorzugsweise
liegen die Längsachse
der Einspritzeinrichtung und die Längsachse der Zündeinrichtung
in einer gemeinsamen Ebene, die wiederum vorzugsweise parallel zu
einer Ebene verläuft, welche
von den Zylinderlängsachsen
aufgespannt wird.
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Vorteilhaft
sind des weiteren Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung dezentral
d.h. mit einem Abstand Δe
zur Zylinderlängsachse
angeordnet ist, wobei gilt: Δe < 15 Millimeter.
Aus den bereits weiter oben gemachten Ausführungen ergibt sich, daß die Einspritzeinrichtung
in Richtung der Längsachse
der Brennkraftmaschine beabstandet zur Zylinderlängsachse angeordnet ist.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen eine Zündkerze als Zündeinrichtung
dient, wobei die Zündkerze
vorzugsweise in der Weise im Zylinderkopf angeordnet ist, daß die Elektroden,
als der Ort, an dem die Fremdzündung
eingeleitet wird, maximal 10 Millimeter von der Zylinderlängsachse
beabstandet angeordnet sind.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Die Rückführung heißer Abgase bietet
insbesondere Vorteile bei der Reduzierung der Schadstoffemissionen.
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Vorteilhaft
sind Brennkraftmaschinen mit variablen Steuerzeiten. Es wird bezug
genommen auf die Ausführungen,
die eingangs in Zusammenhang mit dem Stand der Technik gemacht worden
sind.
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Vorteilhaft
sind dabei Ausführungsformen der
Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Nockenwellenversteller
vorgesehen ist. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, unterstützen auch
teilweise variable Ventiltriebe, wie sie beispielsweise mit einem
Nockenwellenversteller realisiert werden können, die Entdrosselung der
Brennkraftmaschine im Teillastbereich. Dabei kann sowohl die Einlaßnockenwelle,
als auch die Auslaßnockenwelle
mit einem Nockenwellenversteller ausgerüstet werden.
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Darüber hinaus
gestattet das Verschieben der Öffnungszeiten
bzw. Schließzeiten
der Ventile mittels Nockenwellenversteller nach früh bzw. spät die Optimierung
der Vollasteigenschaften der aufgeladenen Brennkraftmaschine durch
besonders vollständige
Ausspülung
der Verbrennungsgase im Rahmen des Ladungswechsels am Ende des Ausschiebetaktes.
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Die
zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß
- • der abschaltbare
Einlaßkanal
mittels der Schaltvorrichtung abgeschaltet wird, falls ein Schichtladebetrieb
der Brennkraftmaschine beabsichtigt wird.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
des Verfahrens, bei denen
- • die zwei Einlaßkanäle des mindestens
einen Zylinders im oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine beide
geöffnet
werden, damit im Rahmen des Ladungswechsels eine Tumble-Strömung im Brennraum
ausgebildet wird, und
- • der
abschaltbare Einlaßkanal
mittels Schaltvorrichtung im unteren und mittleren Lastbereich abgeschaltet
d.h. deaktiviert wird, so daß der
Brennraum über
diesen abgeschalteten Einlaßkanal nicht
mehr mit Frischluft versorgt wird und die Tumble-Strömung in
einen Drall überführt wird.
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Das
bereits oben für
die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
Gesagte gilt auch für
das erfindungsgemäße Verfahren,
weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
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Die
kausalen Zusammenhänge,
auf denen das erfindungsgemäße Verfahren
beruht, bzw. die erfindungsgemäßen Maßnahmen,
die eine Kombination der Konzepte von Aufladung und strahlgeführtem Brennverfahren
erst ermöglichen,
wurden ausführlich dargelegt
und erörtert.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine gemäß den 1 bis 3 näher beschrieben.
Hierbei zeigt:
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1 schematisch
einen Zylinder einer Ausführungsform
der Brennkraftmaschine – teilweise
geschnitten entlang der Zylinderlängsachse und quer zur Kurbelwellenlängsachse,
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2 schematisch
den in 1 dargestellten Zylinder – teilweise geschnitten entlang
der Zylinderlängsachse
und entlang zur Kurbelwellenlängsachse,
und
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3 schematisch
eine vertikale Projektion des Zylinders in Richtung Zylinderlängsachse
auf die Innenseite des Zylinderkopfes.
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1 zeigt
schematisch einen Zylinder 1 einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine
und zwar teilweise geschnitten entlang der Zylinderlängsachse 14 und
quer zur Kurbelwellenlängsachse.
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Der
Brennraum 4 des Zylinders 1 wird durch ein Zylinderrohr 20,
einen in diesem Zylinderrohr 20 entlang der Zylinderlängsachse 14 oszillierenden Kolben 11 und
einen Zylinderkopf 10 mitbegrenzt. In dem Kolbenboden 12 des
Kolbens 11 ist eine omegaförmige Mulde 13 vorgesehen.
Der oszillierende Kolben 11 versetzt eine Kurbelwelle in
Rotation, wobei die Kräfte
vom Kolben 11 in einen Kolbenbolzen 15 auf ein
Pleuel und schließlich
auf die Kurbelwelle übertragen
werden (nicht dargestellt). Die Kolbenbolzenlängsachse 16 verläuft parallel
zur Kurbelwellenlängsachse.
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Der
Brennraum 4 wird während
des Ladungswechsels – bei
geöffneten
Einlaßventilen 17b – über zwei
Einlaßkanäle 7a, 7b mit
Frischluft versorgt, wobei die Abgase über zwei Auslaßkanäle 8a, 8b – bei geöffneten
Auslaßventilen 18b – abgeführt werden
(siehe auch 3). Wie 1 zu entnehmen
ist, wird der zweite Einlaßkanal 7b,
welcher mittels einer Schaltvorrichtung 21 als abschaltbarer
Einlaßkanal 9 ausgebildet
ist, bei der in 1 dargestellten Momentaufnahme
durch das zweite Einlaßventil 17b verschlossen.
Das zweite Auslaßventil 18b verschließt den ersten
Auslaßkanal 8b.
Gleiches gilt für den
ersten Einlaßkanal
und den ersten Auslaßkanal (nicht
in 1 dargestellt).
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Auf
der gegenüberliegenden
Seite des Kolbenbodens 12 ist eine Einspritzeinrichtung 5 im
Zylinderkopf 10 angeordnet, mit der Kraftstoff in Gestalt von
mehreren Einspritzstrahlen 2 direkt in den Brennraum 4 eingespritzt
wird. Ebenfalls im Zylinderkopf 10 und auf der dem Kolbenboden 12 gegenüberliegenden
Seite ist eine Zündeinrichtung 6 angeordnet,
mit der die Fremdzündung
des im Brennraum 4 befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches
erfolgt.
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Die
Einspritzeinrichtung 5 und die Zündeinrichtung 6 sind
in Richtung der Kolbenbolzenlängsachse 16 bzw.
in Richtung der Kurbelwellenlängsachse
gesehen hintereinander angeordnet.
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D.h.
bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
erfolgt die Anordnung von Einspritzeinrichtung 5 und Zündeinrichtung 6 in
Richtung der Längsachse der
Brennkraftmaschine, was sich aufgrund der sehr begrenzten Platzverhältnisse
im Zylinderkopf 10 gerade bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen
als vorteilhaft erweist.
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Die
Längsachse 5a der
Einspritzeinrichtung 5 und die Längsachse 6a der Zündeinrichtung 6 liegen
in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zu einer Ebene verläuft, welche
von den Zylinderlängsachsen 14 mehrerer
Zylinder 1 aufgespannt wird, und die leicht versetzt – in Richtung
der Auslaßkanäle 8b – zu dieser
Ebene angeordnet ist.
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Die
Einspritzeinrichtung 5 ist – wie aus 2 ersichtlich – dezentral
d. h. mit einem Abstand Δe
zu der Zylinderlängsachse 14 angeordnet,
wohingegen die Zündkerze 6 bzw.
die Elektroden der Zündkerze 6 nahezu
zentral angeordnet sind.
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2 zeigt
schematisch den in 1 dargestellten Zylinder 1 teilweise
geschnitten entlang der Zylinderlängsachse 14 und entlang
zur Kurbelwellenlängsachse.
Es soll an dieser Stelle nur ergänzend
zu der bereits beschriebenen 1 ausgeführt werden, weshalb
im übrigen
Bezug genommen wird auf die Beschreibung von 1. Für dieselben
Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die
im Zylinderkopf 1 angeordnete Einspritzeinrichtung 5 und
die im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung 6 bilden
einen Winkel α ≈ 20°, wobei die
als Einspriteinrichtung 5 verwendete Mehrlochdüse 5 vertikal
d.h. parallel zur Zylinderlängsachse 14 angeordnet
ist. Es wird jeweils Bezug genommen auf die Längsachse 5a der Einspritzeinrichtung 5 bzw. die
Längsachse 6a der
Zündeinrichtung 6.
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Die
aus den Düsenöffnungen
der nach innen öffnenden
Mehrlocheinspritzdüse 5 austretenden Einspritzstrahlen 2 bilden
mit der Längsachse 5a der Einspritzdüse 5 unterschiedliche
Winkel β,
die zwischen 28° und
55° liegen.
Der aus den Einspritzstahlen 2 gebildete Kegel ist folglich zur
Längsachse 5a der
Einspritzdüse 5 geneigt
und – wie
aus 2 ersichtlich – in Richtung der Zündeinrichtung 6 ausgerichtet
bzw. gekippt.
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3 zeigt
schematisch eine vertikale Projektion des Zylinders 1 in
Richtung Zylinderlängsachse 14 auf
die Innenseite des Zylinderkopfes 10. Es soll an dieser
Stelle nur ergänzend
zu den bereits beschriebenen 1 und 2 ausgeführt werden, weshalb
im übrigen
Bezug genommen wird auf die Beschreibung dieser Figuren.
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Der
Bereich der Zündeinrichtung 6,
an welchem die Fremdzündung
eingeleitet wird, d.h. der Zündort 3 ist
außerhalb
der Einspritzstrahlen 2 angeordnet. Bei der in den Figuren
dargestellten Ausführungsform
liegt der Zündort 3 zwischen
zwei der insgesamt sechs Einspritzstrahlen 2. Eine erhöhte Schadstoffemission,
verursacht durch die Verbrennung von unzureichend aufbereitetem
flüssigem Kraftstoff,
kann auf diese Weise verhindert werden.
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Das
sich aus den Einspritzstahlen 2 ergebende Einspritzmuster
ist symmetrisch bezüglich
einer Linie, welche die Einspritzeinrichtung 5 mit der Zündeinrichtung 6 verbindet,
aber asymmetrisch quer dazu, und zwar bedingt dadurch, daß der aus den
Einspritzstahlen 2 gebildete Kegel bezüglich der Längsachse 5a der Einspritzdüse 5 geneigt
und in Richtung der Zündeinrichtung 6 ausgerichtet
ist – wie auch
in 2 dargestellt.
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Die
beiden Einlaßkanäle 7a, 7b,
welche zur Versorgung des Brennraums 4 mit Frischluft vorgesehen
sind, sind in der Art ausgebildet, daß die einströmende Frischluft
während
eines Ladungswechsels eine Tumble-Strömung im Brennraum 4 ausbildet.
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Die
Tumble-Strömung
unterstützt
die weiträumige
Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum 4 und
sorgt für
eine weitgehende Homogenisierung des im Brennraum 4 befindlichen
Kraftstoff-Luft-Gemisches, weshalb diese Strömungsform grundsätzlich bei
größeren einzuspritzenden
Kraftstoffmengen, insbesondere also im Volllastbetrieb, bevorzugt
wird.
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Der
Tumble wird im Rahmen der Kompression unter Ausbildung von Turbulenzen
aufgelöst.
Da Turbulenzen eine Homogenisierung des im Brennraum 4 befindlichen
Kraftstoff-Luft- Gemisches
unterstützen,
werden am Zylinderkopf 10 Quetschflächen 19 zur Erzeugung
zusätzlicher
Turbulenzen vorgesehen (siehe 1).
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Der
zweite Einlaßkanal 7b ist
als abschaltbarer Einlaßkanal 9 ausgebildet.
Dieser Einlaßkanal 7b, 9 kann
mittels einer Schaltvorrichtung 21 in einen abgeschalteten
Zustand überführt werden,
in dem dieser abgeschaltete Einlaßkanal 9 den Brennraum 4 nicht
mehr mit Frischluft versorgt und die Tumble-Strömung in einen Drall überführt wird,
was für
den Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt wird.
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- 1
- Zylinder
- 2
- Einspritzstrahl
- 3
- Zündort
- 4
- Brennraum
- 5
- Einspritzeinrichtung,
Einspritzdüse
- 5a
- Längsachse
der Einspritzeinrichtung
- 6
- Zündeinrichtung,
Zündkerze
- 6a
- Längsachse
der Zündeinrichtung
- 7a
- erster
Einlaßkanal
- 7b
- zweiter
Einlaßkanal
- 8a
- erster
Auslaßkanal
- 8b
- zweiter
Auslaßkanal
- 9
- abschaltbarer
Einlaßkanal
- 10
- Zylinderkopf
- 11
- Kolben
- 12
- Kolbenboden
- 13
- Mulde
- 14
- Zylinderlängsachse
- 15
- Kolbenbolzen
- 16
- Bolzenlängsachse
- 17b
- zweites
Einlaßventil
- 18b
- zweites
Auslaßventil
- 19
- Quetschfläche
- 20
- Zylinderrohr
- 21
- Schaltvorrichtung
- Δe
- Abstand
der Längsachse
der Einspritzeinrichtung zur Zylinderlängsachse
- α
- Winkel
zwischen der Einspritzeinrichtung und der Zündeinrichtung
- β
- Winkel
zwischen einem Einspritzstrahl und der Längsachse einer Einspritzdüse