DE102015207525B4

DE102015207525B4 - Verfahren zur Gemischbildung bei einer aufgeladenen direkteinspritzenden selbstzündenden Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102015207525B4
Application number: DE102015207525.7A
Authority: DE
Inventors: Florian Huth; Hans Günther Quix; David van Bebber; Maziar Khosravi; Aadinatz Harihar
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2035-04-25
Also published as: DE102015207525A1

Abstract

Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden selbstzündenden aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (1) umfassend mindestens einen Zylinder (3), bei der jeder Zylinder (3) mindestens eine Einlassöffnung (6) zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung (5) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und jeder Zylinder (3) einen Brennraum (3a) umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens (2), ein Zylinderrohr (4) und den Zylinderkopf (1) mit ausgebildet ist, bei dem Kraftstoff mittels einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung (7) im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder (3) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder (3) eingebracht wird, wobei die Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Einspritzung des Kraftstoffes durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer aufgeladenen direkteinspritzenden selbstzündenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist, bei dem Kraftstoff mittels einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die DE 11 2013 003 707 T5 . Die DE 571 135 A offenbart ein Verfahren betreffend einen Kraftstoff hoher Reaktivität. Im Rahmen eines Kompressionstaktes wird reine Luft verdichtet, wobei kurz vor dem oberen Totpunkt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch umfassend einen Kraftstoff hoher Reaktivität eingebracht wird. Die erhitzte Luft dient bzw. führt zur Selbstzündung.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein selbstzündendes Hybrid-Brennverfahren - wie beispielsweise das HCCI Raumzündverfahren - nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der selbstzündenden Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d. h. der Brennräume, miteinander verbunden werden. Der Zylinderblock dient als obere Kurbelgehäusehälfte der Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders. Der Zylinderkopf dient üblicherweise der Aufnahme des für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebs. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Abgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind und während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen, um die Einlass- und Auslassöffnungen freizugeben und zu versperren.
Der erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich der Ventile wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu versperren, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Ausschieben der Abgase zu gewährleisten.
Eine im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird in der Regel ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man grundsätzlich bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Gegenüber Ottomotoren weisen direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, Wirkungsgradvorteile auf.
Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lassen sich somit Verbrauchsvorteile realisieren, wobei die Direkteinspritzung durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet ist, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist, sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist. Dieser Umstand ist auch ursächlich verantwortlich für die vergleichsweise hohen Partikelemissionen einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.
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 steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
Da bei einer Direkteinspritzung nur wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht, sind Verfahren zur Gemischbildung erforderlich, mit denen die Gemischbildung unterstützt und beschleunigt wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Selbstzündung weitestgehend zu homogenisieren. Von Bedeutung ist dies im Hinblick auf die Reduzierung der Schadstoffrohemissionen, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, des Kohlenmonoxids und der Partikel.
Beispielsweise kann die Erzeugung eines sogenannten Tumbles oder einer Drallströmung die Gemischbildung beschleunigen und unterstützen. Ein Tumble ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel zur Längsachse, d. h. zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft. Ein Drall stellt einen Luftwirbel dar, dessen Achse parallel zur Kolben- d. h. Zylinderlängsachse verläuft.
Um eine gewünschte Ladungsbewegung zu erzeugen, muss das Ansaugsystem entsprechend ausgelegt und ausgebildet werden. Hierzu werden die Zylinder nach dem Stand der Technik häufig mit zwei oder mehr Einlassöffnungen ausgestattet, wobei eine Einlassöffnung dem möglichst verlustfreien Füllen des Brennraums dient und eine andere Einlassöffnung der Erzeugung der Ladungsbewegung.
Die Anordnung und die Geometrie des Ansaugsystems, d. h. der Ansaugleitungen, haben maßgeblich Einfluss auf die Ladungsbewegung und damit auf die Gemischbildung, wobei die Ladungsbewegung im Zylinder durch die Brennraumgeometrie mit beeinflusst wird, insbesondere durch die Geometrie des Kolbenbodens bzw. einer gegebenenfalls im Kolbenboden vorgesehenen Kolbenmulde. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Zylinderkopf ist eine Optimierung der Ansaugleitungen in Hinblick auf die Gemischbildung und den Ladungswechsel gegebenenfalls nicht oder aber nicht vollumfänglich möglich.
Um die Gemischbildung zu verbessern, bedient man sich gemäß dem Stand der Technik häufig einer weiteren Maßnahme, der sogenannten Voreinspritzung von Kraftstoff, bei der eine kleine Menge Kraftstoff vor der eigentlichen Haupteinspritzung in den Zylinder eingebracht wird. Dabei werden beispielsweise 5% bis 15% des je Arbeitsspiel in den Zylinder eingebrachten Kraftstoffes im Rahmen der Voreinspritzung eingespritzt und 85% bis 95% im Rahmen der Haupteinspritzung. Die Voreinspritzung wirkt sich zudem vorteilhaft auf die Stickoxidemissionen aus und senkt den Druckgradienten, wodurch insbesondere die Geräuschemissionen vermindert werden.
Brennkraftmaschinen, die von einer Voreinspritzung Gebrauch machen, sind aber von Hause aus sehr anfällig für eine Verdünnung bzw. Kontaminierung des Öls durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. In Abhängigkeit von der Quantität des Kraftstoffes und dem Einspritzzeitpunkt, gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des Kraftstoffes bei der Voreinspritzung auf die Zylinderinnenwand und mischt sich dort mit dem anhaftenden Ölfilm. Anschließend gelangt der Kraftstoff zusammen mit dem Öl und dem Blow-by Gas in das Kurbelgehäuse und trägt so maßgeblich zur Ölverdünnung bei. Die Ölverdünnung nimmt mit steigender Kraftstoffmenge und Verschieben der Voreinspritzung nach früh zu, weshalb häufig auch später, d. h. im letzten Drittel der Kompressionsphase, in der sich der Kolben während des Ladungswechsels vom unteren Totpunkt hin zum oberen Totpunkt bewegt, voreingespritzt wird. Durch die Veränderung der Schmierstoffeigenschaften des Öls hat die Ölverdünnung maßgeblich Einfluss auf den Verschleiß und die Haltbarkeit, d. h. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass bei direkteinspritzenden selbstzündenden Brennkraftmaschinen weiter Bedarf besteht an verbesserten Verfahren zur Gemischbildung.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Gemischbildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem die Gemischbildung verbessert wird und mit dem insbesondere das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum vor der Selbstzündung besser homogenisiert und einer Ölverdünnung entgegen gewirkt wird.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, eine direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer aufgeladenen direkteinspritzenden selbstzündenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist, bei dem Kraftstoff mittels einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein vorbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer Gemisch-Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird, wobei die Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Einspritzung des Kraftstoffes durchgeführt wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren findet zum Zwecke einer verbesserten Gemischbildung eine Voreinspritzung statt, aber im Gegensatz zum Stand der Technik keine Voreinspritzung von Kraftstoff, sondern vielmehr die Einspritzung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Diese Vorgehensweise hat gleich mehrere Vorteile.
Zum einen wird die Benetzung der Brennrauminnenwände mit Kraftstoff verhindert bzw. vermindert, da eine Voreinspritzung von reinem Kraftstoff entfällt. Erfindungsgemäß wird der voreingespritzte Kraftstoff bereits mit Luft aufbereitet und als Gemisch eingebracht. Auf diese Weise kann einer Ölverdünnung und den mit der Ölverdünnung verbundenen Problemen effektiv entgegen gewirkt werden, insbesondere einem Anstieg der Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und einer Verschlechterung der Schmierstoffeigenschaften des Öls.
Im Gegensatz zu reinem Kraftstoff kann das erfindungsgemäß vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch vergleichsweise früh in den mindestens einen Zylinder eingebracht werden, da eine problematische Ölverdünnung nicht zu befürchten ist, weshalb für die Gemischbildung wesentlich mehr Zeit zur Verfügung steht. Dies unterstützt die Verteilung des voreingespritzten Kraftstoffes im Brennraum, d. h. die Durchmischung des eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches mit der übrigen, bereits im Zylinder befindlichen Verbrennungsluft. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass erfindungsgemäß ein Teil der Gemischbildung, nämlich die Ausbildung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches, bereits außerhalb des Zylinders erfolgt, wodurch der Vorgang der Gemischbildung ebenfalls zeitlich gestreckt wird.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise unterstützt und fördert die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, d. h. die Homogenisierung der Zylinderfrischladung.
Aufgrund der deutlich verbesserten Gemischbildung kann gegebenenfalls auf weitere unterstützende Maßnahmen zur Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, beispielsweise eine der Verbrennungsluft beim Ansaugen in den Brennraum aufgezwungene Bewegung, d. h. eine erzwungene Ladungsbewegung, verzichtet werden. Bei der Auslegung einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lägen dann weniger konstruktive Einschränkungen vor und die Brennkraftmaschine könnte hinsichtlich anderer Aspekte optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich der Anordnung der Einspritzdüse bzw. der Einspritzeinrichtungen.
Im Einzelfall kann das Einbringen des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches genutzt werden, um eine geeignete bzw. gewünschte Ladungsbewegung im Zylinder zu generieren. Dabei könnte auch der Impuls des Einspritzstrahls Verwendung finden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gemischbildung sorgt für eine verbesserte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum und löst somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Gemischbildung verbessert wird und mit dem insbesondere das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum vor der Selbstzündung besser homogenisiert und einer Ölverdünnung entgegen gewirkt wird.
Die erfindungsgemäße Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches soll zeitlich vor der Einspritzung des Kraftstoffes durchgeführt werden. Dies bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beginnt bevor die Einspritzung des Kraftstoffes beginnt und die Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches endet bevor die Einspritzung des Kraftstoffes endet.
Vorteilhaft sind aber insbesondere Verfahrensvarianten, bei denen die Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beginnt und endet, d. h. vollständig durchgeführt wird, bevor die Einspritzung des Kraftstoffes beginnt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den mindestens einen Zylinder während einer Kompressionsphase des Zylinders durchgeführt wird. Die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder kann vorliegend während der Kompressionsphase beginnen, d. h. eingeleitet werden, aber auch vollständig während der Kompressionsphase durchgeführt werden.
Der sich während der Kompressionsphase des Ladungswechsels vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegende Kolben sorgt für eine gewisse Ladungsbewegung im Brennraum. Dies unterstützt die Durchmischung des eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches mit der bereits im Brennraum befindlichen Verbrennungsluft, d. h. die Homogenisierung im Brennraum. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass in der vorangehenden Ansaugphase die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders geöffnet ist und Teile des erfindungsgemäß eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches via Einlassöffnung aus dem Zylinder entweichen könnten. Letzteres ist nachteilig und daher unerwünscht.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind auch Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen zunächst die mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen Zylinders geschlossen wird, bevor die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder beginnt bzw. durchgeführt wird.
Dabei kann es auch vorteilhaft sein, die mindestens eine Einlassöffnung frühzeitig während der Ansaugphase zu schließen und anschließend das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch bereits in der Ansaugphase in den Zylinder einzuspritzen. Dadurch steht zum einen mehr Zeit für die Durchmischung des Gemisches mit der im Zylinder befindlichen Frischluft zur Verfügung. Zum anderen ist der Zylinderdruck niedriger, wodurch größere Mengen des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit bzw. unter weniger Druck in den Zylinder eingebracht werden können.
Vorteilhaft können aus den vorstehend genannten Gründen daher auch Verfahrensvarianten sein, bei denen die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den mindestens einen Zylinder während einer Ansaugphase des Zylinders durchgeführt wird. Die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder kann dabei während der Ansaugphase beginnen, d. h. gestartet werden, aber auch vollständig während der Ansaugphase durchgeführt, d. h. gestartet und abgeschlossen werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch einem Behältnis entnommen wird, welches das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch bevorratet.
Grundsätzlich könnte das benötigte Kraftstoff-Luft-Gemisch auch unmittelbar vor dem Einbringen in den Zylinder vorbereitet werden, beispielsweise in der Gemisch-Einspritzeinrichtung selbst, wozu der Gemisch-Einspritzeinrichtung Luft und Kraftstoff zugeführt werden.
Die Verwendung von einem Behältnis hat aber den Vorteil, dass ein einzelnes Behältnis mehrere Zylinder mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgen kann, wobei für jeden Zylinder bzw. jede zylinderzugehörige Gemisch-Einspritzeinrichtung nur eine Leitung zur Versorgung mit vorbereitetem Kraftstoff-Luft-Gemisch vorzusehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen das Behältnis unter Druck gesetzt wird, wobei der Druck p_storage im Behältnis 5bar bis 30bar, vorzugsweise 5bar bis 20bar beträgt. Vorteilhaft sind insbesondere Verfahrensvarianten, bei denen der Druck p_storage im Behältnis 5bar bis 10bar beträgt.
Beim Öffnen einer Gemisch-Einspritzeinrichtung dient der Druck im Behältnis der Förderung und dem Einbringen des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen im Behältnis für einen konstanten Druck gesorgt wird, beispielsweise mittels einer Pumpe oder eines Kompressors.
Bei Verwendung eines Behältnisses zur Bevorratung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen zur Ausbildung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels einer Dosiereinrichtung Kraftstoff in das Behältnis eingebracht wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch von im Behältnis befindlicher und unter Druck stehender Luft und dem eingebrachten Kraftstoff ausgebildet wird. Die Dosiereinrichtung kann eine Einspritzdüse sein oder auch ein sogenannter Atomizer bzw. Verdampfer sein.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen 20% bis 70% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung eingebracht werden. Der übrige Kraftstoff wird mittels Kraftstoff-Einspritzeinrichtung in den mindestens einen Zylinder eingebracht.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen 25% bis 50% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung eingebracht werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen 30% bis 60% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung eingebracht werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen 35% bis 60% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung eingebracht werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen 45% bis 75% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung eingebracht werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.0 ≤ λ ≤ 6.0.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.0 ≤ λ ≤ 4.0.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.0 ≤ λ ≤ 2.5.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.5 ≤ λ ≤ 4.0.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 2.0 ≤ λ ≤ 4.0.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 2.5 ≤ λ ≤ 4.5.
Die vorstehenden Verfahrensvarianten betreffend das Luftverhältnis λ tragen dem Umstand Rechnung, dass das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch ausreichend mager sein muss, damit es zu keiner Selbstentzündung in diesem Gemischanteil vor dem Einbringen bzw. während des Einbringens in den Zylinder kommt. Das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch soll sich mit der bereits im Zylinder befindlichen Verbrennungsluft mischen. In dieses Gemisch wird dann Kraftstoff mittels der Kraftstoff-Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung eingebracht, wobei sich die Zylinderfrischladung beim Einbringen dieses Kraftstoffes bzw. danach selbst entzündet.
Die Höhe des Luftverhältnisses λ hängt auch davon ab, wie viel Kraftstoff als Gemisch, d. h. bereits mit Luft aufbereitet, in den Zylinder eingebracht werden soll, d. h. wie groß der Kraftstoffanteil ist, der je Arbeitsspiel mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung in den Zylinder eingebracht wird.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der

- eine Aufladung vorgesehen ist,
- jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist,
- jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist, und
- jeder Zylinder mit einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder ausgestattet ist,

- jeder Zylinder mit einer Gemisch-Einspritzeinrichtung zum direkten Einbringen eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder ausgestattet ist.

Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die größere einzuspritzende Kraftstoffmasse bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen erhöht nochmals die Anforderungen an die Gemischbildung.
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. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Schadstoffemissionen erzielt werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ohnehin ab.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung jedes Zylinders im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gemisch-Einspritzeinrichtung jedes Zylinders im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist.
Die vorstehenden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verbessein die Gemischbildung nochmals deutlich. Der Kraftstoff bzw. das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch werden weiträumig im Brennraum verteilt, wodurch die Homogenisierung beschleunigt und unterstützt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem aufweist.
Wie bereits ausgeführt, kann aufgrund der deutlich verbesserten Gemischbildung auf weitere unterstützende Maßnahmen zur Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verzichtet werden. Die in Rede stehende Brennkraftmaschine berücksichtigt dies, indem nur eine Einlassöffnung je Zylinder vorgesehen wird. Der Verbrennungsluft beim Ansaugen in den Brennraum eine Bewegung aufzuzwingen, d. h. eine Ladungsbewegung zu erzwingen, ist nicht länger erforderlich und wird daher auch nicht mittels Ansaugsystem realisiert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung und/oder die Gemisch-Einspritzeinrichtung eine Einspritzdüse ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung und/oder die Gemisch-Einspritzeinrichtung eine nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüse ist. Die Mehrlocheinspritzdüse bietet gegenüber einer piezoelektrisch gesteuerten Einspritzdüse Kostenvorteile und sollte vorzugsweise über 4 bis 10 seitlich angeordnete Düsenöffnungen verfügen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasturboaufladung vorgesehen ist.
Vorliegend 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.
Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader 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.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Aufladung mit mindestens einem mechanischen Lader, beispielsweise einem Kompressor, realisiert wird, gegebenenfalls auch in Kombination mit einer Abgasturboaufladung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch das Brennraumdach eines Zylinders einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine zur Veranschaulichung des Prinzips der Gemischbildung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
2a schematisch das Brennraumdach eines Zylinders einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
2b schematisch den Zylinder der in 2a dargestellten zweiten Ausführungsform in der Seitenansicht und teilweise geschnitten.

1 zeigt schematisch das Brennraumdach 1a eines Zylinders 3 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine zur Veranschaulichung des Prinzips der Gemischbildung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Brennraum 3a wird durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf 1 begrenzt, wobei der Zylinderkopf 1 das Brennraumdach 1a bildet.
Jeder Zylinder 3 weist zwei Einlassöffnungen 6 zum Zuführen von Verbrennungsluft und zwei Auslassöffnungen 5 zum Abführen der Abgase auf.
Darüber hinaus ist jeder Zylinder 3 mit einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 7 zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder 3 ausgestattet. Die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 7 ist vorliegend mittig im Zylinderkopf 1 angeordnet; in einer Ebene, welche von der Zylinderlängsachse und der Drehachse einer Kurbelwelle aufgespannt wird.
Zudem verfügt jeder Zylinder 3 über eine Gemisch-Einspritzeinrichtung 8 zum direkten Einbringen eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum 3a, welche ebenfalls in der Ebene angeordnet ist, welche von der Zylinderlängsachse und der Drehachse einer Kurbelwelle aufgespannt wird, und zwar seitlich beabstandet und benachbart zur Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 7.
2a zeigt schematisch das Brennraumdach 1a eines Zylinders 3 einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu 1 verfügen die Zylinder 3 der in 2a dargestellten Ausführungsform jeweils über eine Einlassöffnung 6 zum Zuführen von Verbrennungsluft und eine Auslassöffnung 5 zum Abführen der Abgase.
2b zeigt schematisch den Zylinder 3 der 2a in der Seitenansicht und teilweise geschnitten. Es soll nur ergänzend zu 2a ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 2a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Der Brennraum 3a jedes Zylinders 3 wird durch den Kolbenboden des zylinderzugehörigen Kolbens 2, ein Zylinderrohr 4 und den Zylinderkopf 1 als Brennraumdach 1a begrenzt.
Die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 7 und die Gemisch-Einspritzeinrichtung 8 sind beabstandet im Zylinderkopf 1 in einer Ebene angeordnet, welche senkrecht auf der Drehachse 10a der Kurbelwelle 10 steht und in der die Zylinderlängsachse liegt.
Bei dem Zylinderkopf 1 der in den 2a und 2b dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Gleichstromkopf 1, bei dem sämtliche Ladungswechselkanäle auf einer Seite des Kopfes 1 angeordnet sind, während 1 das Brennraumdach 1a eines Zylinders 3 eines Querstromkopfes 1 zeigt, bei dem die Ladungswechselkanäle auf verschiedenen Seiten des Kopfes 1 angeordnet sind.
Das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch wird einem Behältnis 9 entnommen und via Versorgungsleitung 9a der zylinderzugehörigen Gemisch-Einspritzeinrichtung 8 zugeführt.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
1a: Brennraumdach
2: Kolben
3: Zylinder
3a: Brennraum
4: Zylinderrohr
5: Auslassöffnung
6: Einlassöffnung
7: Kraftstoff-Einspritzeinrichtung
8: Gemisch-Einspritzeinrichtung
9: Behältnis
9a: Versorgungsleitung
10: Kurbelwelle
10a: Drehachse der Kurbelwelle, Längsachse der Kurbelwelle
p_storage: Druck im Behältnis
λ: Luftverhältnis

Claims

Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden selbstzündenden aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (1) umfassend mindestens einen Zylinder (3), bei der jeder Zylinder (3) mindestens eine Einlassöffnung (6) zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung (5) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und jeder Zylinder (3) einen Brennraum (3a) umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens (2), ein Zylinderrohr (4) und den Zylinderkopf (1) mit ausgebildet ist, bei dem Kraftstoff mittels einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung (7) im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder (3) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder (3) eingebracht wird, wobei die Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Einspritzung des Kraftstoffes durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den mindestens einen Zylinder (3) während einer Kompressionsphase des Zylinders (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den mindestens einen Zylinder (3) während einer Ansaugphase des Zylinders (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die mindestens eine Einlassöffnung (6) des mindestens einen Zylinders (3) geschlossen wird bevor die Einspritzung des vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch einem Behältnis (9) entnommen wird, welches das vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch bevorratet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (9) unter Druck gesetzt wird, wobei der Druck p_storage im Behältnis (9) 5bar bis 20bar beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels einer Dosiereinrichtung Kraftstoff in das Behältnis (9) eingebracht wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch von im Behältnis (9) befindlicher und unter Druck stehender Luft und dem eingebrachten Kraftstoff ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 20% bis 70% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder (3) eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 30% bis 60% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder (3) eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 35% bis 60% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder (3) eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 25% bis 50% des je Arbeitsspiel in den mindestens einen Zylinder (3) eingebrachten Kraftstoffes mittels der Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.0 ≤ λ ≤ 6.0.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.0 ≤ λ ≤ 4.0.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.5 ≤ λ ≤ 4.0.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 2.0 ≤ λ ≤ 4.0.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches Kraftstoff und Luft in einem Verhältnis gemischt werden, so dass ein Luftverhältnis λ realisiert wird mit 1.0 ≤ λ ≤ 2.5.
Direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Zylinderkopf (1) umfassend mindestens einen Zylinder (3), bei der - eine Aufladung vorgesehen ist, - jeder Zylinder (3) mindestens eine Einlassöffnung (6) zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung (5) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, - jeder Zylinder (3) einen Brennraum (3a) umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens (2), ein Zylinderrohr (4) und den Zylinderkopf (1) mit ausgebildet ist, und - jeder Zylinder (3) mit einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung (7) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder (3) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - jeder Zylinder (3) mit einer Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) zum direkten Einbringen eines vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder (3) ausgestattet ist.
Direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung (7) jedes Zylinders (3) im Zylinderkopf (1) auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist.
Direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemisch-Einspritzeinrichtung (8) jedes Zylinders (3) im Zylinderkopf (1) auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist.
Direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (3) eine Einlassöffnung (6) zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem aufweist.
Direkteinspritzende selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (3) eine Auslassöffnung (5) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist.