Aus der DE 197 53 407 AI ist ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt.

Dabei wird ein Luft/Brennstoff-Gemisch durch ein Einlassven- til in einen Brennraum geführt. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird verdichtet und dabei in einen den Brennraum erfüllenden Porenkörper gedrückt. Es wird anschließend im Wesentlichen im Porenkörper verbrannt. Durch die Verbrennung im Porenkörper wird eine weit gehend rückstandsfreie Verbrennung des Luft/Brenn-stoff-Gemischs erreicht.

Die US 3, 923, 011 beschreibt eine weitere derartige Hubkolben- Brennkraftmaschine. Dabei ist eine den Brennraum teilweise erfüllende poröse Katalysatorplatte vorgesehen.

Aus der US 4,381, 745 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein ringförmig ausgebildeter Porenkörper im Brennraum angeordnet ist. Der Brennstoff wird durch ein Brennstoffeinlassventil auf den Porenkörper geleitet.

Aus der DE-OS 24 16 804 ist eine Kolben-Brennkraftmaschine bekannt, bei der Brennstoff in eine zentrale Zone eines Brennraums eingespritzt wird. Die zentrale Zone ist von einem porösen Element umgeben. Beim Verdichten wird Luft von einer das poröse Element umgebenden äußeren Zone in die zentrale Zone gedrückt. Am Ende des Verdichtungsprozesses wird der Brennstoff in die zentrale Zone eingespritzt. Die Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemischs erfolgt im Wesentlichen in der

zentralen Zone. Die Flammfront bewegt sich dabei von der zen- tralen Zone in Richtung der äußeren Zone.

Nach dem Stand der Technik sind ferner Hubkolben-Brennkraft- maschinen bekannt, bei denen Flüssigbrennstoff direkt unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt wird. Dieses so ge- nannte Prinzip der"Direkteinspritzung"wird derzeit insbe- sondere bei Dieselmotoren verwendet. Die Leistungssteuerung der Hubkolben-Brennkraftmaschine erfolgt beim Verfahren der "Direkteinspritzung"durch eine Steuerung des Einspritz- drucks. -Wegen der fest vorgegebenen Geometrie des Brenn- raums tritt das Problem auf, dass die Gemischbildung und da- mit die Verbrennung jeweils nur in einem bestimmten Lastbe- reich als optimal angesehen werden können. In anderen Lastbe- reichen, z. B. bei Vollast, erreicht die Flammfront wegen des hohen Einspritzdrucks die Wand des Zylinders. Die Flamme kühlt dort ab ; es kommt zur Bildung von Ruß. Die Verbrennung ist nach dem Prinzip der"Direkteinspritzung"nicht in allen Lastbereichen als besonders rückstandsfrei anzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff sowie eine geeignete Hubkolben- Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung angegeben werden, mit denen eine möglichst rückstandsfreie Verbrennung in allen Lastbereichen erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 21.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW oder LKW, mit folgenden Schritten vorgesehen :

a) Direktes Einspritzen des Brennstoffs in eine zentrale Zone eines Brennraums zu einem vorgegebenen Zeitpunkt während des Verdichtens, b) weiteres Verdichten des Brennstoffs mit in der zentralen Zone vorgelegter Luft und Drücken des Brennstoffs von der zentralen Zone in ein erstes, eine mittlere Zone bildendes poröses Element, welches eine äußere Zone von der zentralen Zone trennt, wobei der Brennstoff verdampft und mit darin vorgelegter Luft gemischt wird, und c) Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann in allen Lastbereichen eine besonders rückstandsarme Verbrennung bei nach dem Prin- zip der"Direkteinspritzung"arbeitenden Hubkolben-Brenn- kraftmaschinen erreicht werden. Der Brennraum ist dazu in drei Zonen gegliedert, wobei eine zentrale Zone einen Raum bildet, in den unmittelbar nach dem Prinzip der"Direktein- spritzung"Brennstoff eingespritzt wird. Die zentrale Zone ist von einer äußeren Zone mittels eines porösen Elements ge- trennt, welches eine mittlere Zone mit einem erhöhten Strö- mungswiderstand bildet. Die äußere Zone wirkt gewissermaßen als"Puffer". Bei niedrigen Einspritzdrücken wird der Brenn- stoff von der zentralen Zone im Wesentlichen in die mittlere Zone gedrückt. Bei hohen Einspritzdrücken wird der Brennstoff von der zentralen Zone durch die mittlere Zone bis in die äu- ßere Zone gedrückt. Es wird eine besonders saubere Verbren- nung in allen Lastbereichen erzielt.

Zweckmäßigerweise wird vor dem Einspritzen des Brennstoffs Luft in die zentrale Zone angesaugt und durch das erste porö- se Element in die äußere Zone gedrückt. Beim Betrieb ist das erste poröse Element heiß. Die Luft wird vorgewärmt zur Mi- schung mit dem Brennstoff bereit gehalten.

Der Brennstoff wird im Teillastbereich im Wesentlichen in ei- nen der zentralen Zone benachbarten Bereich der mittleren Zo- ne gedrückt. Die Einspritzdüse und der Porendurchmesser des ersten porösen Elements sind entsprechend eingestellt. Im Teillastbereich findet eine anfängliche erste Verbrennung des Gemischs im Wesentlichen im Randbereich der mittleren und der zentralen Zone statt. Eine nachfolgende zweite Verbrennung wird in diesem Fall vorteilhafterweise unter Verwendung von Luft durchgeführt, welche bei der Expansion von der äußeren Zone durch die mittlere Zone in die zentrale Zone gesaugt wird. Durch die während eines späten Abschnitts der Verbren- nung bereitgestellte Luft können unerwünschte Verbrennungs- rückstände, z. B. Ruß, verbrannt werden. Es wird im Teillast- bereich eine besonders saubere Verbrennung erzielt. Im Voll- lastbereich wird zweckmäßigerweise ein wesentlicher Teil des Brennstoffs von der zentralen Zone durch die mittlere in die äußere Zone gedrückt. Der Brennstoff wird dabei verdampft.

Insbesondere in der äußeren Zone entsteht ein homogenes Luft/Brennstoff-Gemisch. Vorteilhafterweise findet im Voll- lastbereich eine anfängliche erste Verbrennung des Gemischs im Wesentlichen im Randbereich der mittleren und in der äuße- ren Zone statt. Die Flammfront wandert durch die mittlere Zo- ne in die zentrale Zone. Eine nachfolgende zweite Verbrennung wird zweckmäßigerweise unter Verwendung von Luft durchge- führt, welche in der zentralen Zone zurückgeblieben ist. Auch im Volllastbereich findet also während eines späten Verbren- nungsabschnitts eine Nachverbrennung statt. Es wird auch in diesem Lastbereich eine besonders saubere Verbrennung er- reicht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist die zen- trale Zone ein durch das erste poröse Element abgeteilter Hohlraum oder aus einem zweiten porösen Element gebildet, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements ist. Die äußere Zone kann ebenfalls ein

durch das erste poröse Element abgeteilter Hohlraum oder aus einem dritten porösen Element gebildet sein, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements ist.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist eine Hubkolben-Brenn- kraftmaschine mit Direkteinspritzung vorgesehen, mit einem Brennraum, der bei am oberen Totpunkt (TDC) befindlichem Kol- ben in eine zentrale, eine mittlere und eine sich daran an- schließende äußere Zone unterteilt ist, wobei eine Einspritz- düse zum unmittelbaren Einspritzen von Brennstoff in die zen- trale Zone vorgesehen ist, wobei die mittlere Zone durch ein erstes poröses Element mit einem kommunizierenden Porenraum gebildet ist, und wobei eine das erste poröse Element aufneh- mende Ausnehmung so ausgebildet ist, dass beim Verdichten ein Beladen der äußeren Zone mit Luft und/oder Brennstoff durch das erste poröse Element erfolgt.

Die vorgeschlagene Hubkolben-Brennkraftmaschine ermöglicht eine in allen Lastbereichen besonders rückstandsfreie Ver- brennung. Es wird eine besonders homogene Gemischbildung er- reicht. Die Verbrennung ist effektiv. Es wird eine Nachver- brennung mit im Brennraum gespeicherter Luft ermöglicht. Ein Auftreffen der Flammfront auf den Zylinder wird vermieden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das er- ste poröse Element ringförmig ausgebildet und es umgibt die zentrale Zone. Ferner kann die äußere Zone das erste poröse Element umgeben. Durch die konzentrische Anordnung der Zonen bei am oberen Totpunkt befindlichen Kolben wird eine beson- ders gleichmäßige Gemischbildung und Verbrennung erreicht.

Das erste poröse Element kann in einer am Kolbenboden vorge- sehenen Ausnehmung gehalten sein. Es kann aber auch sein, dass das erste poröse Element in einer am Zylinderkopf vorge-

sehenen Ausnehmung aufgenommen ist. Schließlich ist es denk- bar, dass das erste poröse Element abschnittsweise am Kolben und abschnittsweise am Zylinderkopf angebracht ist. Die das erste poröse Element aufnehmende Ausnehmung ist vorteilhaf- terweise so ausgebildet, dass ein Be-bzw. Entladen der äuße- ren Zone ausschließlich durch das erste poröse Element er- folgt. Damit wird eine besonders effektive Vorwärmung und/oder Homogenisierung der Luft bzw. des Luft/Brennstoff- Gemischs erreicht.

Ferner ist vorteilhafterweise in der Mitte des Kolbenbodens eine Erhebung vorgesehen. Die Erhebung dient der möglichst gleichmäßigen Verteilung eines darauf gerichteten Strahls an eingespritztem Brennstoff. Es hat sich als zweckmäßig erwie- sen, dass das erste poröse Element einen mittleren Poren- durchmesser im Bereich von 0,2 bis 5,0 mm aufweist. Der mitt- lere Porendurchmesser des zweiten porösen Elements ist in je- den Fall größer als der des ersten porösen Elements. Es kann auch sein, dass das zweite poröse Element weggelassen und an dessen Stelle ein Hohlraum vorgesehen ist. Das erste und/oder zweite und/oder dritte poröse Element kann aus Metall, Kera- mik oder Kohlenstoff hergestellt sein.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Hub- kolben-Brennkraftmaschine wird auch auf die zum Verfahren ge- machten Ausführungen verwiesen, die sinngemäß ebenfalls gel- ten.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Fig. la-f schematische Schnittansichten und Draufsichten der Gemischverteilung zu drei Zeitpunkten im Teillast- bereich,

Fig. 2a-b schematische Schnittansichten und Draufsichten der Gemischverteilung zu drei Zeitpunkten im Volllast- bereich, Fig. 3a-c Schnittansichten und eine Draufsicht eines Brenn- raums im Teillastbereich und Fig. 4a-c Schnittansichten und eine Draufsicht des Brennraums gemäß Fig. 3 im Volllastbereich.

In den Fig. 1-4 ist ein Kolben 1 in einem Zylinder 2 ge- führt. Der Kolben 1 weist an einem Kolbenboden 3 eine Ausneh- mung 4 und eine radial abfallende Erhebung 5 auf. Die Erhe- bung 5 ist umgeben von einem porösen Ring 6, der in der Aus- nehmung 4 formschlüssig gehalten ist. Der poröse Ring 6 weist einen kommunizierenden Porenraum auf. Er ist zweckmäßigerwei- se aus einer hitzebeständigen Keramik oder aus Metall herge- stellt. Der poröse Ring 6 verschließt einen ihn umgebenden hohlen Ringraum 7. Eine ebenfalls leer ausgeführte zentrale Zone 8 ist vom porösen Ring 6 umgeben. Eine Einspritzdüse 9 ist etwa gegenüberliegend an der Spitze der Erhebung 5 ange- ordnet. Der obere Totpunkt ist mit der unterbrochenen Linie TDC angedeutet. Die den porösen Ring 6 aufnehmende Ausnehmung 4 ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass eine Strömung in die äußere Zone 7 bzw. aus der äußeren Zone 7 heraus aus- schließlich durch den porösen Ring 6 erfolgt.

Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Brennraum der vorgenannten Ausbildung funktioniert wie folgt : Im in den Fig. 1 und 3 gezeigten Teillastbereich wird während einer frühen Phase eines Verdichtungsschritts angesaugte Luft L von der zentralen Zone 8 durch den porösen Ring 6 in den Ringraum 7 gedrückt. Dabei wird auf den porösen Ring 6 bei

der vorhergehenden Verbrennung übertragene Wärme auf die Luft L übertragen (Fig. la, b).

Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts TDC wird beim Ver- dichtungsschritt durch die Einspritzdüse 9 Flüssigbrennstoff, z. B. Dieselkraftstoff, in die zentrale Zone 8 eingespritzt.

Der Flüssigbrennstoff F wird im Teillastbereich im Wesentli- chen in den der zentralen Zone 8 zugewandten Randbereich des porösen Rings 6 gedrückt. Nach Erreichen des oberen Totpunkts TDC wird das Luft/Brennstoff-Gemisch gezündet. Die Flammfront wandert dabei vom porösen Ring 6 in Richtung der zentralen Zone 8. Bei der nachfolgenden Expansion wird die im Ringraum 7 gespeicherte Luft L durch den porösen Ring 6 gesaugt. Sie gelangt in die zentrale Zone 8 und wird dort während eines späten Stadiums der Verbrennung verbrannt. Diese"nachgelie- ferte"Luft dient im Wesentlichen der Nachverbrennung von Schadstoffen, z. B. Ruß.

Im in den Fig. 2 und 4 gezeigten Volllastbereich wird während einer frühen Phase der Verdichtung Luft L ebenfalls durch den porösen Ring 6 in den Ringraum 7 gedrückt. Die Luft L wird dabei vorgewärmt (Fig. 2a, b).

Kurz vor dem oberen Totpunkt TDL wird durch die Einspritzdüse 9 Flüssigbrennstoff F unter Maximaldruck in den Brennraum eingespritzt. Der Flüssigbrennstoff F wird im Volllastbereich zum großen Teil vollständig durch den porösen Ring 6 gedrückt und dabei verdampft ; er gelangt zum großen Teil in den Rin- graum 7. Nach der Zündung des Gemischs wandert die Flammfront vom Ringraum 7 durch den porösen Ring 6 in Richtung der zen- tralen Zone 8. In der zentralen Zone 8 verbliebene Luft L dient während einer späten Phase der Verbrennung der Nachver- brennung von Schadstoffen.

Es kann so in jedem Lastbereich eine saubere und rückstands- freie Verbrennung erzielt werden.

Der vorgeschlagene Brennraum kann zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens selbstverständlich auch anders ge- staltet sein. So ist es z. B. möglich, den porösen Ring 6 und den ihn umgebenden Ringraum 7 am Zylinderkopf vorzusehen.

Ferner ist es möglich, den Ringraum 7 und/oder die zentrale Zone 8 mit einem weiteren porösen Element auszufüllen. Das weitere poröse Element ist dabei so ausgeführt, dass dessen Strömungswiderstand geringer als der des porösen Rings 6 ist.

Auch andere Brennraumgestaltungen sind denkbar, bei denen der Brennraum in drei Zonen gegliedert ist. Solche Gestaltungen werden insbesondere dann von der Erfindung erfasst, wenn eine mittlere Zone einen größeren Ströhmungswiderstand als eine äußere und eine zentrale Zone aufweist und wenn eine Zwangs- führung der Strömung von der zentralen Zone durch die mittle- re Zone in die äußere Zone und umgekehrt vorgesehen ist.

Bezugszeichenliste 1 Kolben 2 Zylinder 3 Kolbenboden 4 Ausnehmung 5 Erhebung 6 poröser Ring 7 Ringraum 8 zentrale Zone 9 Einspritzdüse TDC oberer Totpunkt L Luft F Flüssigbrennstoff