MOT Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft für Motorentechnik, Optik, Thermodynamik mbH

M31187PCT

Brennverfahren einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine, in der das Brennverfahren eingesetzt wird.

Bei modernen Dieselmotoren wird die direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum meist in mehrere Teileinspritzungen wie eine Voreinspritzung, eine Haupteinspritzung und unter Umständen eine Nacheinspritzung unterteilt. Die einzelnen Teileinspritzungen erfolgen in der Regel mit denselben Einspritzsystemkomponenten und daher in identische Bereiche des Brennraums. Durch eine kleine, der eigentlichen Haupteinspritzung vorgelagerte Vorein- spritzmenge werden Vorteile bei den Geräusch- und Stickoxidemissionen im Vergleich zu einer Verbrennung ohne Voreinspritzung erzielt. Der voreingespritzte Kraftstoff verbrennt vor der Verbrennung der Haupteinspritzung und erhöht die Temperatur im Brennraum. Der Zündverzug für den Kraftstoff der Haupteinspritzung verkürzt sich und der Anteil an vorgemischter Verbrennung wird im Verhältnis zur diffusionskontrollierten Verbrennung kleiner. Dies reduziert den maximalen Druckanstieg („Dieselschlag") und die Spitzentemperatur während der Verbrennung. Dadurch wird sowohl das Geräuschniveau des Motors gesenkt als auch die Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung vermindert.

Die Erhöhung des Anteils diffusionskontrollierter Verbrennung wirkt sich jedoch negativ auf die Rußbildung und damit die Rußemission aus. Dies zeigt sich besonders bei einer auch nur minimal über dem Idealwert liegenden Voreinspritzmenge, bei der die Rußemissionen überproportional ansteigen. Die höhere Rußemission liegt nicht nur an dem größeren Anteil diffusionskontrollierter Verbrennung, sondern auch an weiteren Einflußfaktoren. Einerseits ist das lokale Luftverhältnis für die Haupteinspritzung durch den dort schon umgesetzten Kraftstoff der Voreinspritzung reduziert, was sowohl die Rußbildung erhöht als auch die Rußoxidation während der Verbrennung vermindert. Andererseits kann es zu einem direkten Kontakt von noch flüssigem Kraftstoff der Haupteinspritzung mit dem unter Umständen noch brennenden Kraftstoff der Voreinspritzung kommen.

Aus der EP 1 045 136 Al sind ein Brennverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine bekannt, die nach diesem Brennverfahren arbeitet. Dort wird der Kraftstoff in einem unteren Teillastbereich unter einem flachen Winkel zum Kolbenboden eingespritzt. In einem höheren Teillastbereich wird der Kraftstoff unter einem steileren Winkel zum Kolbenboden in einen zentralen Bereich des Brennraumes eingespritzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennverfahren einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum mittels einer oder mehrerer Einspritzeinrichtungen zu schaffen, bei dem Rußbildung und Rußemission vermieden oder zumindest stark reduziert werden.

Diese Aufgabe ist durch ein Brennverfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 8 gelöst.

Bei einem Brennverfahren gemäß der Erfindung findet lastunabhängig stets eine Voreinspritzung in zentrale Bereiche des Brennraumes und eine Haupteinspritzung in äußere Bereich des Brennraumes statt. Durch die räumliche Trennung der Voreinspritzung von der Haupteinspritzung wird die Rußbildung, die bei Kraftstoffeinspritzung in ein bereits gezündetes Brennraumvolumen entsteht, vermieden oder sehr stark reduziert. Dadurch werden Rußemissionen weitestgehend vermieden. Durch die gestufte Verbrennung kann der Temperaturbereich der Stickoxidbildung ausgespart werden, so daß die Bildung von schädlichen Stickoxiden ebenfalls niedrig gehalten wird.

Bei Dieselmotoren mit Common-Rail-Einspritzung wird oft eine Nacheinspritzung sowohl zur Verbesserung der Abgasemissionen als auch zur Einleitung einer Partikelfilterregeneration vorgesehen. Gerade bei einer späten Nacheinspritzung, wie sie zur Abgastemperaturerhöhung bei einer Partikelfilterregeneration notwendig ist, dringen die Einspritzstrahlen aufgrund des schon deutlich abgesunkenen Zylinderdruckes weit in den Brennraum und sogar bis an die Zylinderwand vor. Dies führt zu einer Wandbenetzung und einem Eintrag von Kraftstoff in das Schmieröl des Motors, wodurch sich die Schmiereigenschaften des öls verschlechtern und der Motorverschleiß erhöht. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens sieht deshalb gemäß Unteranspruch 5 eine zylinderachsennahe Nacheinspritzung in zentrale Brennraumbereiche vor, was eine Benetzung der Zylinderwand und damit eine mögliche Schmierölverdünnung vermeidet.

Mit einem Brennverfahren und einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung läßt sich bei Einsatz in einen Dieselmotor die Rußbildung so weit vermindern, daß die aktuellen, durch EU- Vorschriften zulässigen Grenzwerte für die Rußemission ohne Einsatz eines Partikelfilters unterschritten werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch den oberen Teil eines Zylinders mit Kolben, Brennraum und Injektoren für Vor- und Haupteinspritzung einer Brennkraft-Kolbenmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Teilschnitt wie Fig. 1 einer Ausführung der Erfindung mit nur einem Injektor für die Vor- und Haupteinspritzung;

Fig. 3 die räumliche Orientierung von Voreinspritzung und zeitlich nachfolgender Haupteinspritzung in einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 2;

Fig. 4 die räumliche Orientierung von Voreinspritzung und zeitlich nachfolgender Haupteinspritzung in einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 ; und

Fig. 5 einen Teilschnitt durch den oberen Teil eines Zylinders mit Kolben, Brennraum und einem Injektor für Vor- und Haupteinspritzung in einer weiteren Ausführung der Erfindung, wobei der Teil des Brennraums im Kolben gestuft ausgebildet ist.

Fig. 1 zeigt schematisch Zylinder 10 und Kolben 11 mit Brennraum 5 einer selbstzündenden Brennkraftkolbenmaschine (Dieselmotor) mit zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Injektoren, nämlich einem senkrecht in den Brennraum gerichteten Hauptinjektor 1 für die Haupteinspritzung 2 und einen geneigt in den Brennraum 5 zielenden Vorinjektor 4. Zuerst erfolgt die Voreinspritzung 3 mit dem Vorinjektor 4 in zentrale, also zylinderachsennahe Bereiche des Brennraums. Danach erfolgt die Haupteinspritzung 2 mit dem Hauptinjektor 1 in

äußere, also bezüglich der Zylinderachse mehr radial gelegene, Brennraumbereiche. Dadurch ergibt sich eine komplette räumliche Trennung der Brennraumbereiche, in denen der voreingespritzt Kraftstoff verbrennt, von den Brennraumbereichen, in denen der haupteingespritzte Kraftstoff verbrennt. Der Kolben 11 hat eine Kolbenmulde 6, die eine möglichst große Eindringtiefe der Voreinspritzstrahlen in nahezu axialer Richtung des Zylinders 10 erlaubt. Jedoch erlaubt die Ausführung mit den zwei Injektoren 1 und 4 auch die Verwendung eines Kolbens mit einer flachen Kolbenmulde oder einem ebenen Kolbenboden, weil die Voreinspritzung in zentrale Brennraumbereiche auch durch den Vorinjektor in nahezu radialer Richtung des Zylinders 10 parallel zum Kolben 11 erfolgen kann, wie diese anhand der Fig. 5 beschrieben ist.

Fig. 2, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 bezeichnet und nicht nochmals beschrieben sind, zeigt den Aufbau für einen prinzipiell gleichen Einspritzablauf wie bei Fig. 1, jedoch mit nur einem Injektor, der zwei Gruppen von Düsenlöchern mit gruppenweise getrennter Ansteuerung der Düsenlöcher hat und damit ebenfalls die zeitliche und räumliche Trennung der Einspritzungen bzw. der Kraftstoffstrahlen ermöglicht.

In den Fig. 1 und 2 sind Winkel ß zur Definition der Vor- und Haupteinspritzstrahlen wie folgt angegeben: ßi - Winkel der äußeren Einhüllenden der Haupteinspritzstrahlen ß _n - Winkel der inneren Einhüllenden der Haupteinspritzstrahlen ß ₂ - Spitzenkegelwinkel der Haupteinspritzstrahlen ß ₃ - Spitzenkegelwinkel der Voreinspritzstrahlen

Die Winkel ßi, ß _n liegen in der Praxis zwischen 180° und 120°. Die Winkel ß ₂ und ß ₃ sollten kleiner als 120° sein, vorzugsweise ß ₂ < 20° und ß ₃ < 30°.

Durch die zylinderachsennahe Voreinspritzung 3 in Richtung des Kolbens 11 kann das Auftreffen des voreingespritzten Kraftstoffs auf den Kolben genutzt werden, um durch die erhöhte Bauteiltemperatur des Kolbens die Verdampfung des voreingespritzten Kraftstoffs und damit die Gemischbildung zu verbessern und die Zündung zu beschleunigen.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen exemplarisch die räumliche Orientierung der kegelförmigen Einspritzstrahlen einer Voreinspritzung 3 in zentrale Brennraumbereiche in einer Kolbenmulde 6 sowie der kegelförmigen Einspritzstrahlen einer Haupteinspritzung 2 in Brennraumbereiche

nahe der Zylinderwand 9, die bei modernen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung üblich ist. Dabei ist in Fig. 3 eine Ausführung mit einem Injektor 1 wie in Fig. 2 gezeigt dargestellt.

Die abgewandelte Ausgestaltung mit zwei Injektoren 1, 4 ergibt eine räumliche Orientierung der Einspritzstrahlen von Voreinspritzung 3 und Haupteinspritzung 2 gemäß Fig. 4.

Fig. 5 zeigt in einer weiteren Ausführung exemplarisch einen Kolben 11 mit einer gestuften Kolbenmulde 7,8, die unterschiedliche Geometrien wie Abrundungen und Winkel aufweisen kann. Die Kolbenmulde hat einen tassenförmigen, tief in den Kolben vordringenden zentralen Bereich 8, der eine große Eindringtiefe für die Einspritzstrahlen der Voreinspritzung 3 bereitstellt, und einen tellerförmigen, flachen Bereich 7 größeren Durchmessers für die konventionelle Haupteinspritzung 2.

Die zeitliche Abfolge von Voreinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung ist wie bei konventionellen Verfahren, wobei die Voreinspritzung immer vor der Haupteinspritzung und diese immer vor der Nacheinspritzung beginnen. Die einzelnen Einspritzphasen können wie üblich zeitlich voneinander gänzlich getrennt ablaufen. Erfindungsgemäß ist jedoch auch eine zeitliche überschneidung der einzelnen Einspritzphasen möglich.

Räumlich wird bei allen Ausführungen der Erfindung die Voreinspritzung 3 in Brennraumbereiche vorgenommen, die von den Bereichen der nachfolgenden Haupteinspritzung 2 getrennt sind.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung auf Dieselmotoren beschränkt. Sie läßt sich vielmehr auch auf die heute bekannten Otto-Motoren mit Direkteinspritzung anwenden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

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Bezugszeichenliste

1 Einspritzeinrichtung

2 Haupteinspritzung

3 Voreinspritzung

4 Einspritzeinrichtung

5 Brennraum

6 zentraler Bereich

7 tellerförmiger Bereich

8 tassenförmiger Bereich

9 Zylinderwand

10 Zylinder

11 Kolben ßl,ßn Kegelwinkel der Einhüllenden für die Haupteinspritzung h Spitzenkegelwinkel der Haupteinspritzung ß ₃ Spitzenkegelwinkel der Voreinspritzung