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Title:
METHOD FOR OPERATING A SPARK-IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/144169
Kind Code:
A1
Abstract:
In the case of a spark-ignition internal combustion engine which has at least one piston moving back and forth in a cylinder, in at least one operating range of the internal combustion engine fuel is, for each cylinder, injected centrally into a combustion chamber by means of at least one fuel injection device and ignited centrally in the combustion chamber by means of at least one ignition device. The fuel is injected into the combustion chamber with an injection pressure of greater than 500 bar in the second half of the compression stroke before the top dead center (TDC) of the combustion and the internal combustion engine is operated with an air/fuel ratio λ ≥ 1. In at least one operating range of the internal combustion engine, the fuel is injected between 180° and 0° before the top dead center (TDC) of the combustion in such a way that at least two injection jets of the fuel hit substantially opposite bowl walls (3a) of a piston bowl of the piston, wherein the jet center axes of the two injection jets – observed in a sectional view containing the cylinder axis – include an angle of greater than 60°. The heat of combustion is retained in the combustion chamber by means of at least one thermal insulation element and/or coating.

Inventors:
KAPUS, Paul (Waldweg 9, 8111 JUDENDORF, 8111, AT)
Application Number:
AT2019/060024
Publication Date:
August 01, 2019
Filing Date:
January 23, 2019
Export Citation:
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Assignee:
AVL LIST GMBH (Hans-List-Platz 1, 8020 GRAZ, 8020, AT)
International Classes:
F02D41/38; F02B23/06; F02D41/30; F02D41/40
Domestic Patent References:
WO2008157823A12008-12-24
WO2017087734A12017-05-26
Foreign References:
JP2008121429A2008-05-29
EP1857654A12007-11-21
JP2013057267A2013-03-28
EP1045136A12000-10-18
DE102017113523A12017-08-03
DE102005056521A12007-05-31
DE102016008916A12017-01-26
Attorney, Agent or Firm:
BABELUK, Michael (Florianigasse 26/3, 1080 WIEN, 1080, AT)
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Claims:
P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, welche zumindest einen in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brennraum grenzen- den Kolben aufweist, wobei in zumindest einem Betriebsbereich der Brenn- kraftmaschine pro Zylinder Kraftstoff über zumindest eine Kraftstoffei nspritz- einrichtung zentral in den Brennraum eingespritzt und über zumindest eine Zündeinrichtung zentral im Brennraum gezündet wird, wobei der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar in der zweiten Hälfte des Verdich- tungstaktes vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung in den Brenn- raum eingespritzt und die Brennkraftmaschine mit einem Luft-Kraftstoffver- hältnis l>1 betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der Kraftstoff zwischen 180°, bevorzugt 120°, besonders bevorzugt 90°, und 0° Kurbelwinkel vor dem obe- ren Totpunkt (TDC) der Verbrennung so in den Brennraum eingespritzt wird, dass zumindest zwei Einspritzstrahlen des Kraftstoffes auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausgebildete, etwa diametral bezüglich der Zylin- derachse gegenüberliegende - Muldenwände (3a ) einer vorzugsweise kreis- förmigen Kolbenmulde des Kolbens treffen, wobei die Strahlmittelachsen der beiden Einspritzstrahlen - in einer die Zylinderachse beinhaltenden Schnitt- ansicht betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, be- sonders vorzugsweise über 100°, einschließen, und dass die Verbrennungs- wärme im Brennraum durch zumindest eine thermische Isolierung und/oder Beschichtung zurückgehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 900 bar, vorzugsweise über 1000 bar, so ein- gespritzt wird, dass in einem Bereich über der Kolbenmulde ein homogenes Gemisch gebildet wird, wobei vorzugsweise der Kraftstoff überkritisch einge- spritzt eingespritzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff über zumindest fünf, vorzugsweise zumindest sechs Ein- spritzstrahlen gleichzeitig in den Brennraum eingespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl eingespritzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ein- spritzstrahlen - im Grundriss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einspritzstrahl vom Zündort einen definierten Abstand aufweist, weicher zwischen 0,5 und 2,5 mm beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten eingespritzt wird, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittelbar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Einspritzungen - vorzugsweise als Doublette - im Ver- dichtungstakt durchgeführt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Einspritzungen im Ansaugtakt und zumindest eine Ein- spritzung im Verdichtungstakt durchgeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Einspritzung der Kraftstoff über eine Dauer von maximal ma ximal 50°KW, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20° Kurbelwinkel eingespritzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Einspritzung des Kraftstoffes zum oder noch vor dem Zeit- punkt der Zündung beendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bis zum Zeitpunkt der Zündung in einem zentralen Bereich über der Kolbenmulde ein homogenes Gemisch und radial außerhalb des zentralen Be- reiches eine Randzone mit Luft oder magerem Grundgemisch gebildet wird, sodass nach dem Zeitpunkt der Zündung eine vorgemischte Verbrennung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit einem Verdichtungsverhältnis zwischen 12 und 18 betrieben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis l=1 betrie- ben wird.

15. Otto-Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brennraum grenzenden Kolben, mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und zumindest einer Zündeinrichtung pro Zy- linder, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder die Zündeinrichtung zentral in den Brennraum einmünden, und wobei die Kraftstoffeinspritzein- richtung ausgebildet ist um Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar, in der zweiten Hälfte eines Verdichtungstaktes vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung in den Brennraum einzuspritzen und die Brennkraft - maschine mit einer Luftzahl l> 1 zu betreiben, zur Durchführung des Verfah- rens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung zumindest zwei etwa diametral gegenüber- liegende Einspritzöffnungen aufweist, wobei deren Mittelachsen - in einer Sei- tenansicht auf die Kraftstoffeinspritzeinrichtung betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, besonders vorzugsweise über 100°, ein- schließen, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung so angeordnet und der Kol- ben so ausgebildet ist, dass bei einer Kraftstoffeinspritzung in einem Kurbel- winkelbereich zwischen 180°, bevorzugt 120°, besonders bevorzugt 90° und 0° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung die Ein- spritzstrahlen der beiden Einspritzöffnungen auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausgebildete, diametral bezüglich der Zylinderachse ge- genüberliegende - Muldenwände einer vorzugsweise kreisförmigen Kolben- mulde des Kolbens treffen, und dass zumindest eine an den Brennraum gren- zende Wand oder Wandbereich eine thermische Isolierung aufweist.

16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung im Bereich der Kolbenoberfläche angeordnet ist.

17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung im Bereich einer durch einen Zylinderkopf ge- bildeten -vorzugsweise dachförmigen - Brennraumdeckfläche angeordnet ist.

18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung - kolbenseitig und/oder zylinder- seitig - im Bereich des Feuerstegs des Kolbens angeordnet ist.

19. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine zentrale Erhebung aufweist.

20. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung mehrere, vorzugsweise zu- mindest fünf, vorzugsweise zumindest sechs, Einspritzöffnungen aufweist.

21. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet net, dass zumindest zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffei n- spritzeinrichtung so angeordnet sind, dass auf beiden Seite des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl einspritzbar ist.

22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der Einspritzöffnungen der beiden Einspritzstrahlen - im Grund- riss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen.

23. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung so angeordnet sind, dass zumindest ein Einspritzstrahl vom Zündort der Zündeinrichtung einen definierten Abstand (a, b) aufweist, weicher zwischen 0 mm und 2,5 mm beträgt.

24. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung so konditioniert ist, der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten eines Arbeitszyklus einspritzbar ist, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittelbar vor dem oberen Totpunkt (TDC) der Verbrennung erfolgt.

25. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung so konditioniert ist, zumindest zwei Einspritzungen im Verdichtungs- takt unmittelbar nacheinander durchführbar sind.

26. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung (TDC) so konditioniert ist, zumindest zwei Einspritzungen im An- saugtakt und zumindest eine Einspritzung im Verdichtungstakt durchführbar sind.

27. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit für die Kraftstoffeinspritzein- richtung so konditioniert ist, dass bei jeder Einspritzung der Kraftstoff über eine Dauer von maximal 50°, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20° Kurbelwinkel einspritzbar ist.

28. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet t, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgebildet ist um die Brennkraftmaschine mit einer Luftzahl l=1 zu betreiben.

Description:
Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, welche zumindest einen in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brenn- raum grenzenden Kolben aufweist, wobei in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine pro Zylinder Kraftstoff über zumindest eine Kraftstoffei n- spritzeinrichtung annähernd zentral in den Brennraum eingespritzt und über zu- mindest eine Zündeinrichtung annähernd zentral im Brennraum gezündet wird, wobei der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung in den Brenn- raum eingespritzt und die Brennkraftmaschine mit einem Luft- Kraftstoffverhältnis l=1 oder l> 1 betrieben wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Otto- Brenn kraft- maschine zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der EP 2 239 446 Al ist es bekannt, eine Otto-Brennkraftmaschine in Abhän- gigkeit von der Lastanforderung nach einem HCCI-Verfahren (HCCI = Homogenous Charge Compression Ignition) mit funkenunterstützter homogener Kompressions- zündung des Kraftstoffes oder konventionell mit Funkenzündung zu betreiben, um den Wirkungsgrad zu steigern und die Emissionen zu verringern. Dabei wird zur Verminderung des Verbrennungsgeräusches vorgeschlagen, den Kraftstoff mit einem hohen Einspritzdruck über 50MPa über eine Mehrdüsen-Kraftstoffeinspritz- einrichtung mehrfach einzuspritzen, wobei die letzte Einspritzung zu einem späten Zeitpunkt des Verdichtungstaktes erfolgt. Die Brennkraftmaschine wird mit einem Kraftstoff- Luftverhältnis l von mindestens 2 betrieben.

Die DE 10 2012 002 315 Al beschreibt einen fremdgezündeten Motor und ein Ver- fahren zu dessen Steuerung, wobei in Abhängigkeit vom Motorlastbereich die Steuerung die Verbrennungsbetriebsart auf eine Betriebsart mit Zündung durch Verdichtung oder eine fremdgezündete Betriebsart festlegt. Die Brennkraftma- schine wird mit einem Kraftstoff- Luftverhältnis l von 1 betrieben. Dabei werden auch der Kraftstoffdruck und die Zeit der Kraftstoffeinspritzung und Zündung ge- steuert. Aus dieser Veröffentlichung ist es bekannt, dass durch Einspritzung des Kraftstoffes mit einem vergleichsweise hohen Kraftstoffdruck von etwa 40 MPa und darüber, zu einer Zeit nahe dem oberen Verdichtungstotpunkt, die Verbrennungs- dauer verkürzt und damit die Verbrennungsstabilität verbessert werden kann.

Weiters ist es aus der WO 08/157823 Al bekannt, eine Haupteinspritzung bei Kraftstoffdrücken von 1000 bar und darüber mit einem Einspritzbeginn im Kurbel- winkelbereich zwischen -10° und 20° des oberen Totpunktes im HCCI- oder PCCI- Betrieb (PCCI- Premixed Charge Compression Ignition) durchzuführen. Weiters ist aus dieser Druckschrift bekannt, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit zu verwen- den, bei der diametral gegenüberliegende Einspritzstrahlen für späte Kraftstoffei n- spritzung einen Strahlwinkel zwischen 120° und 150° aufspannen. Das Verdich- tungsverhältnis beträgt zwischen 10 und 16, das Drallverhältnis liegt zwischen 0 und 1,5.

Brennkraftmaschinen mit beispielsweise durch eine Keramikschicht thermisch iso- lierten Komponenten sind aus der US 2017 145 914 A bekannt.

Aus der DE 10 2017 113 523 Al ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Brennraum ein thermisch isolierendes Element aufweist, welches zumindest einen Teil der Innenfläche des Brennraums ausbildet. Die durch das thermisch isolie- rende Element gebildete Innenfläche des Brennraums ist mittels einer Einspritz- vorrichtung mit Wasser benetzbar.

Konventionelle Otto- Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise Maßnahmen zur Klopfbegrenzung auf. Kraftstoffeigenschaften sowie zeitliche Randbedingungen für die Gemischaufbereitung und die Flammfrontausbreitung begrenzen das Verdich- tungsverhältnis bei Otto-Brennkraftmaschinen. Aufgrund des hohen Druckes und der hohen Temperatur im Brennraum kann es zu einer Selbstzündung eines Teiles des Gemisches mit starkem Druckanstieg kommen (Klopfen). Derartige unkontrol- lierte Selbstzündung kann zu schweren Schäden an der Brennkraftmaschine füh- ren. Weiters kann sogenannte irreguläre Verbrennung (Zündung des Gemisches vor Zünden durch die Zündeinrichtung) zu Schäden der Brennkraftmaschine füh- ren.

Es ist bekannt, dass durch Wärmeisolation der Wirkungsgrad einer Brennkraftma- schine erhöht werden kann. Durch zumindest näherungsweise adiabate Motoren wären theoretisch Wirkungsgrade über 50% erzielbar. Nachteilig ist, dass derar- tige Motoren äußerst anfällig für irreguläre Verbrennung und Klopferscheinungen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es diese Nachteile zu vermeiden und den Wirkungsgrad ohne Ansteigen des Risikos für irreguläre Verbrennung und Klopferscheinungen zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass in zumindest einem Betriebsbe- reich der Brennkraftmaschine der Kraftstoff zwischen 180°, bevorzugt 120°, be- sonders bevorzugt 90° und 0° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Ver- brennung so in den Brennraum eingespritzt wird, dass zumindest zwei Einspritz- strahlen des Kraftstoffes auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausge- bildete, etwa diametral bezüglich der Zylinderachse gegenüberliegende - Mulden- wände einer vorzugsweise annähernd kreisförmigen Kolbenmulde des Kolbens treffen, wobei die Strahlmittelachsen der beiden Einspritzstrahlen - in einer die Zylinderachse beinhaltenden Schnittansicht betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, insbesondere über 80°, besonders vorzugsweise über 100°, einschließen, und dass die Verbrennungswärme im Brennraum durch zumin- dest eine thermische Isolierung und/oder Beschichtung zurückgehalten wird.

Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt sehr spät und unmittelbar vor der Zün- dung des Gemisches. Dabei erfolgt die gesamte Einspritzung vor dem Zeitpunkt der Zündung. Die Gemischbildung ist zum Zeitpunkt der Zündung vorwiegend ab- geschlossen. Vorwiegend abgeschlossen bedeutet, dass mehr als 90%, vorzugs- weise mindestens 95% des Kraftstoffes mit Luft vermischt sind. Zum Zeitpunkt der Zündung liegt annähernd ein homogenes Gemisch, insbesondere ein quasiho- mogenes Gemisch im Zylinder vor. "Quasihomogen" bedeutet in diesem Zusam- menhang, dass in einem zentralen Bereich des Brennraumes über der Kolben- mulde eine Zone mit homogenem Gemisch, und radial außerhalb dieses zentralen Bereichs ein ringförmiger Bereich mit einer Zone mit Luft oder einem mageren Grundgemisch ausgebildet ist. Die Verbrennung erfolgt vorgemischt (premixed combustion), es erfolgt also keine Schichtverbrennung oder Diffusionsverbren- nung. Dies hat den Vorteil, dass auf Grund der Nachreaktion zwischen Sauerstoff - 0 2 und Ruß - C zu CO2 die vorgemischte Verbrennung sehr russarm erfolgt. Auch das Abgas weist eine quasihomogene Zusammensetzung mit einem Gehalt an CO< l%, insbesondere zwischen 0,6-0, 8%, und einem Gehalt an Ü 2 <1% auf.

Durch den späten Einspritzzeitpunkt und den hohen Einspritzdruck wird die Ge- mischbildungs- und Verbrennungsdauer stark verkürzt. Zusammen mit dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis und dem Auftreffen der Kraftstoffstrahlen auf die im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse verlaufenden Muldenwänden werden Klopferscheinungen, sowie irreguläre Selbstzündungen, bzw. Glühzündun- gen zuverlässig verhindert. Dadurch ist es möglich den Brennraum zu isolieren, ohne dass es zu einem Ansteigen der Gefahr von Klopferscheinungen, sowie irre- gulären Selbstzündungen, bzw. Glühzündungen kommt. Durch den thermisch iso- lierten Brennraum können adiabate Zustandsänderungen angenähert werden, was eine bedeutende Steigerung des thermischen Wirkungsgrades ermöglicht.

Vorzugsweise wird dabei der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck über 900 bar, vor- zugsweise über 1000 bar, eingespritzt. Der mit hohem Einspritzdruck eingespritzte und insbesondere überkritisch einströmende Kraftstoff verursacht hohe Turbulen- zen im Brennraum und ermöglicht somit eine sehr schnelle Gemischbildung. Der überkritisch einströmende Kraftstoff befindet sich dabei in einem thermodynami- schen Zustand, bei welchem die Dichten der flüssigen Phase und der Gasphase angeglichen sind. In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kraftstoff über zumindest sechs Einspritzstrahlen gleichzeitig in den Brennraum eingespritzt wird. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum.

Um eine rasche Entflammung des Gemisches zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn auf beiden Seite des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl eingespritzt wird, wobei vorzugsweise zumindest zwei Einspritz- strahlen - im Grundriss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen.

Um einerseits eine rasche Zündung des Gemisches zu ermöglichen und insbeson- dere ein Auslöschen des Zündfunkens zu vermeiden, ist es günstig, wenn zumin- dest ein Einspritzstrahl vom Zündort einen definierten Abstand aufweist, welcher zwischen 0,5 mm und 2,5 mm beträgt.

In einer einfachen Ausführung ist vorgesehen, dass die Kraftstoffeinspritzung durch eine einzige Einspritzung pro Arbeitszyklus und Zylinder unmittelbar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt. Für eine gleichmäßige Gemisch- aufbereitung ist es allerdings günstiger, wenn der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten eingespritzt wird, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittel- bar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass zumindest zwei Einspritzungen - vorzugsweise als Doublette - im Verdichtungstakt durchge- führt werden. Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zumindest zwei Einspritzungen im Ansaugtakt und zumindest eine Einspritzung im Verdich- tungstakt durchgeführt werden.

Bei jeder Einspritzung wird der Kraftstoff bevorzugt über eine Dauer von maximal 50°, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20°, Kurbelwinkel eingespritzt.

Eine weitere Steigerung des thermischen Wirkungsgrades lässt sich erzielen, wenn die Brennkraftmaschine nach dem Miller- oder Atkinson-Kreisprozess - mit frühem oder spätem Einlassschluss - betrieben wird.

Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine mit einer Tumble-Zahl von maximal 1 betrieben wird. Das geometrische Verdichtungsver- hältnis beträgt vorzugsweise zwischen 12 und 18.

In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zu zumindest einem Zeitpunkt während zumindest eines Arbeitszyklus Wasser der Ansaugluft oder dem Kraftstoff beigemengt oder dem Brennraum zugeführt wird. Das Wasser kann dabei in den Einlasssammler oder die Einlasskanäle oder direkt in den Brenn- raum eingespritzt werden oder als Emulsion zusammen mit dem Kraftstoff zuge- führt werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Otto-Brenn- kraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden, an einen Brennraum grenzenden Kolben, mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzein- richtung und zumindest einer Zündeinrichtung pro Zylinder, wobei die Kraft- stoffeinspritzeinrichtung und/oder die Zündeinrichtung zentral in den Brennraum einmünden, und wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgebildet ist um Kraft- stoff mit einem Einspritzdruck über 500 bar, in der zweiten Hälfte eines Verdich- tungstaktes vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung in den Brennraum einzu- spritzen und die Brennkraftmaschine mit einer Luftzahl l=1 oder l> 1 zu betreiben. Erfindungsgemäß weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung zumindest zwei Einspritz- öffnungen auf, deren Mittelachsen - in einer Seitenansicht auf die Kraftstoffei n- spritzeinrichtung betrachtet - einen Winkel von über 30°, vorzugsweise über 60°, insbesondere über 80°, besonders vorzugsweise über 100°, einschließen, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung so angeordnet und der Kolben so ausgebildet ist, dass bei einer Kraftstoffeinspritzung in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 180°, bevorzugt 120°, besonders bevorzugt 90° und 0° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung die Einspritzstrahlen der beiden Einspritzöffnungen auf im Wesentlichen - parallel zur Zylinderachse ausgebildete, diametral bezüglich der Zylinderachse gegenüberliegende - Muldenwände einer vorzugsweise kreisförmi- gen Kolbenmulde des Kolbens treffen, wobei zumindest eine an den Brennraum grenzende Wand eine thermische Isolierung aufweist.

Die thermische Isolierung ist dabei zweckmäßigerweise im Bereich der brennraum- seitigen Kolbenoberfläche - oder Teilen der Kolbenoberfläche - und/oder im Be- reich einer durch einen Zylinderkopf gebildeten -vorzugsweise dachförmigen - Brennraumdeckfläche - oder Teilen der Brennraumdecke - angeordnet. Weiters kann die thermische Isolierung - kolbenseitig und/oder zylinderseitig - im Bereich des Feuerstegs des Kolbens angeordnet sein. Dadurch können Wärmeverluste re- duziert werden.

Der Kolben weist bevorzugt eine zentrale Erhebung in der Mitte der beispielsweise kreisförmigen Kolbenmulde auf, wobei sich die Erhebung in den Brennraum er- streckt. Ähnliche Kolben sind von Diesel-Brennkraftmaschinen bekannt.

Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist mehrere - beispielsweise sechs - Einspritz- öffnungen auf. Zumindest zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzeinrich- tungen sind günstigerweise so angeordnet, dass auf beiden Seite des Zündortes der Zündeinrichtung Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl einspritzbar ist. In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittelachsen der Einspritz- öffnungen der beiden Einspritzstrahlen - im Grundriss betrachtet - einen Winkel von etwa zwischen 50° und 80° einschließen. Um einerseits eine zuverlässige Zün- dung des Kraftstoff- Luft-Gemisches zu gewährleisten und andererseits eine Be- netzung des Zündortes mit Kraftstoff zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung so angeordnet sind, dass zumindest ein Einspritzstrahl vom Zündort der Zündeinrichtung einen definierten Abstand aufweist, welcher zwischen 0 mm und 2,5 mm beträgt.

Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist über eine elektronische Steuereinheit so an- steuerbar, dass der Kraftstoff zu zumindest zwei Zeitpunkten während eines Ar- beitszyklus einspritzbar ist, wobei zumindest eine letzte Einspritzung unmittelbar vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt. Zumindest zwei Einspritzungen können dabei im Verdichtungstakt unmittelbar nacheinander durchgeführt werden.

Es ist auch möglich, die Steuereinheit so zu konditionieren, dass zumindest zwei Einspritzungen im Ansaugtakt und zumindest eine Einspritzung im Verdichtungs- takt durchführbar sind.

Durch Aufteilung der Kraftstoffeinspritzung in mehrere Teileinspritzungen wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die entzogene Verdampfungsenergie gekühlt und somit die Neigung zu irregulärer Verbrennung und zum Klopfen verringert. Die Kühlung des Kraftstoff-Luft-gemisches kann weiters gesteigert werden, wenn über eine Wasserzuführeinrichtung Wasser der Ansaugluft oder dem Kraftstoff bei- mengbar oder dem Brennraum zuführbar ist. Dabei kann eine Wassereinspritzein- richtung beispielsweise in den Einlasssammler, in die einzelnen Einlasskanäle oder in den Brennraum einmünden. Alternativ dazu kann vor dem Einspritzen in den Brennraum dem Kraftstoff Wasser beigemengt und eine Kraftstoff-Wasser-Emul- sion gebildet werden. Diese Kraftstoff-Wasser-Emulsion kann über die Kraft- stoffeinspritzeinrichtung in den Brennraum eingespritzt werden.

Durch mehrmalige Kraftstoffeinspritzung werden im Brennraum Turbulenzen in- nerhalb des Brennraumes erzeugt, welche sich günstig auf die Flammenausbrei- tungsgeschwindigkeit auswirken und somit weiter die Klopfneigung vermindern. Dabei haben sich mehrere kurze Einspritzungen als vorteilhafter im Vergleich zu wenigen langen Einspritzungen erwiesen. Die Steuerung der Einspritzung kann vorteilhafter Weise so konditioniert sein, dass bei jeder Einspritzung der Kraftstoff über eine Dauer von maximal 50°, vorzugsweise 30°, besonders vorzugsweise 20°, Kurbelwinkel KW einspritzbar ist. Der Brennraum und die Einlasskanäle soll- ten so gestaltet sein, dass die Tumble-Zahl (Drallzahl für die Tumbleströmung) im Brennraum maximal 1 beträgt. Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades durch Verminderung der Drosselver- luste kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine nach dem Miller- oder Atkinson-Kreisprozess mit frühem oder spätem Einlassschluss betreibbar ist. Ein frühes Schließen der Einlassventile kann beispielsweis durch einen variablen Ven- tiltrieb ermöglicht werden.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders vor- teilhaft, wenn zumindest eine Zündeinrichtung als Vorkammerzündkerze ausgebil- det ist. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit und des Wirkungsgrades bei Verringerung der Klopfneigung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den nicht einschränkenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen schematisch :

Fig. 1 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;

Fig. 2 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;

Fig. 3 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer dritten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;

Fig. 4 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens in einer vierten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;

Fig. 5 den Zylinder in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1, 2, 3 oder 4;

Fig. 6 Einspritzereignisse bei Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens in verschiedenen Varianten der Erfindung;

Fig. 7 den Zylinder aus Fig. 4 in einem Längsschnitt mit angedeuteter

Kernzone; und

Fig. 8 diesen Zylinder in einem Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

In den Fig. 1 bis Fig. 4 ist schematisch jeweils ein Zylinder 1 einer Otto-Brenn- kraftmaschine dargestellt, in welchem ein hin- und hergehender Kolben 2 ver- schiebbar angeordnet ist. Der eine Kolbenmulde 3 aufweisende Kolben 2 wirkt über eine nicht weiter dargestellte Pleuelstange auf eine Kurbelwelle ein. Zwischen dem Kolben 2 und der durch einen Zylinderkopf 4 gebildeten dachförmigen Brennraum- decke 5 ist ein Brennraum 6 ausgebildet. In den Brennraum 6 münden zentral eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 und eine Zündeinrichtung 8 -beispielsweise eine konventionelle Zündkerze mit direkt in den Brennraum 6 mündenden Elektroden - ein. Die Zündeinrichtung 8 kann auch als - angedeutet dargestellte - Vorkammer- zündkerze mit einer integrierten Vorkammer ausgebildet sein, in welcher die Elek- troden angeordnet sind, wobei die Vorkammer über mehrere Öffnungen mit dem Brennraum 6 verbunden ist. Es ist auch möglich, mehr als eine Kraftstoffei nspritz- einrichtung 7 und/oder mehr als eine Zündeinrichtung 8 pro Zylinder 1 vorzuse- hen.

Die Achse 7a der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 kann geneigt zur Zylinderachse la angeordnet sein. Genauso kann die Achse 8a der Zündeinrichtung 8 geneigt zur Zylinderachse la ausgebildet sein. Im gezeigten Beispiel beträgt der Neigungswin- kel a zwischen der Achse 7a und der Zylinderachse la beispielsweise etwa 15°, und der Neigungswinkel ß zwischen der Achse 8a und der Zylinderachse la bei- spielsweise etwa 10°. Die Neigungswinkel a, ß können bevorzugt zwischen 0° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 15°, liegen.

Der Einspritzort 7b der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 und der Zündort 8b der Zündeinrichtung 8 sind nahe der Zylinderachse la angeordnet. Der Abstand 7c zwischen dem Einspritzort 7b und der Zylinderachse la beträgt hier weniger als ein Viertel des Radius R des Zylinders 1. Gleiches gilt für den Abstand 8c zwischen dem Zündort 8b und der Zylinderachse la.

Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 ist als Mehrlocheinspritzeinrichtung ausgebil- det, um den Kraftstoff über mehrere (nicht dargestellte) Einspritzöffnungen in mehreren Einspritzstrahlen 9 in den Brennraum 6 einzuspritzen. Die Mittelachsen 10 von zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 für etwa dia- metral gegenüberliegende Einspritzstrahlen 9 spannen - in einer in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Seitenansicht auf die Kraftstoffeinspritzeinrichtung betrachtet - einen Winkel y von über 30°, vorzugsweise über 60°, Insbesondere über 80°, besonders vorzugsweise über 100°, auf. Dieser Winkel y entspricht dem Strahl- winkel, den die Strahlachsen der zwei etwa diametral gegenüberliegenden Ein- spritzstrahlen 9 aufspannen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel y etwa 110°.

Der Radius r der im Wesentlichen kreisförmigen Kolbenmulde beträgt zwischen 0,7 bis 0,9-mal dem Kolbenradius R. In dem von der Zylinderachse la entferntesten Bereich weist die Kolbenmulde 3 vom Kolbenrand 21 abgewandte Muldenwände 31 auf, welche im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse la ausgebildet sind. Die Kraftstoffeinspritzung (bei einmaliger Einspritzung) oder die letzte Kraft- stoffeinspritzung (bei mehrmaliger Einspritzung) erfolgt sehr spät im Verdich- tungstakt nahe dem oberen Totpunkt TDC der Verbrennung, wobei Mittelachsen 10 Einspritzöffnungen bzw. die Strahlachsen der Einspritzstrahlen 9 auf die Mul- denwände 31 gerichtet sind. Damit legen die Einspritzstrahlen 10 den längst mög- lichen Weg innerhalb des Brennraumes 6 zurück, bevor sie auf den Kolben 2 auf- treffen. Der Kraftstoff kann somit bestmöglich verdampfen.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 ein sternför- miges Strahlbild der Einspritzstrahlen 9 auf, wobei im gezeigten Ausführungsbei- spiel sechs Einspritzöffnungen vorgesehen sind. Mit Bezugszeichen 11 sind im Brennraumdach 5 angeordnete Gaswechselventile bezeichnet. Zumindest zwei Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 und so angeordnet, dass auf beiden Seite des Zündortes 8b der Zündeinrichtung 8 Kraftstoff über je einen Einspritzstrahl 9 eingespritzt wird. Die Mittelachsen 10 dieser Einspritzöffnungen schließen dabei einen Winkel d ein, welcher etwa zwischen 50° und 80° beträgt.

Die Einspritzstrahlen 9 weisen einen Abstand a vom Zündort 8b auf, welcher zwi- schen 0 mm und 2,5 mm beträgt. Damit wird ein sicheres Zünden des Kraftstoff- Luft-gemisches gewährleistet.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weisen an den Brennraum 6 grenzende Wände oder Wandbereiche thermische Isolierungen 12 auf. Insbesondere sind thermische Iso- lierungen 12 im Bereich der Kolbenoberfläche 22 - also im Bereich der Kolben- mulde 3 und im Bereich zwischen Kolbenmulde 3 und Kolbenrand 21 -, im Bereich der Brennraumdecke 5, und in dem an den Brennraum 6 grenzenden Bereich des Zylinders 1, aber auch im Bereich des Feuerstegs 23 des Kolbens 2 sowie in einem dem Feuersteg 23 gegenüberliegenden Bereich des Zylinders 1 vorgesehen. In Fig. 2 sind die Isolierungen 12 nicht dargestellt.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsvariante unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass hier die Kolbenmulde 3 eine zentrale Erhebung 32 aufweist. Weiters sind die dem Brennraum 6 zugewandten Bereiche der Kolbenoberfläche 22 zwischen der Kolbenmulde 3 und dem Kolbenrand 21 als Quetschflächen 24 ausgebildet, deren Neigung und Form im Wesentlichen der Dachneigung der dachförmigen Brenn- raumdecke 5 entspricht. Die korrespondierenden zylinderkopfseitigen Quetschflä- chen der Brennraumdecke 5 sind mit Bezugszeichen 25 bezeichnet.

Kolbenseitige Quetschflächen 24 zwischen der Kolbenmulde 3 und dem Kolbenrand 21 einerseits und zylinderkopfseitige Quetschflächen 25 der Brennraumdecke 5 andererseits sind auch bei der in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen. Die Quetschflächen 24, 25 sind dabei eben und parallel zur Zylinderkopfdichtebene e ausgebildet. Innerhalb der zylinderkopfseitigen Quetschflächen 25 ist die Brennraumdecke 5 dachförmig ausgebildet.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung mit zwischen der Kol- benmulde 3 und dem Kolbenrand 21 als Quetschflächen 24 ausgebildeten Berei- chen der Kolbenoberfläche 22, wobei die Quetschflächen 24 zumindest teilweise der Form der dachförmigen Brennraumdecke 5 folgen. Die Quetschflächen 24 und die korrespondierenden zylinderkopfseitigen Quetschflächen 25 der Brennraum- decke 5 sind in Fig. 4 leicht gekrümmt ausgeführt, wobei die Steigung der Kolben- oberfläche 22 bzw. der Brennraumdecke 5 im Bereich des Kolbenrandes 21 bzw. Zylinderrandes geringer ist als in einem der Zylinderachse la näher liegenden Be- reich. Selbstverständlich können auch bei den in Fig. 2 bis Fig. 4 gezeigten Aus- führungen thermische Isolierungen vorgesehen sein.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Brennkraftmaschine zumin- dest annähernd adiabat und mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis l=1 betrieben und der Kraftstoff im Verdichtungstakt sehr spät nahe dem oberen Totpunkt TDC der Verbrennung mit sehr hohem Einspritzdruck von über 500 bar, insbesondere über 900 bar, beispielsweise 1000 bar, eingespritzt.

Alternativ dazu kann die Brennkraftmaschine auch zumindest annähernd adiabat und mit einem mageren Luft- Kraftstoffverhältnis l> 1 betrieben und der Kraftstoff im Verdichtungstakt sehr spät nahe dem oberen Totpunkt TDC der Verbrennung mit sehr hohem Einspritzdruck von über 500 bar, insbesondere über 900 bar, bei- spielsweise 1000 bar, eingespritzt werden.

In jedem Falle erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes sehr spät und unmittelbar vor der Zündung des Gemisches. Dabei erfolgt die gesamte Einspritzung vor dem Zeitpunkt der Zündung. Die Gemischbildung ist zum Zeitpunkt der Zündung vor- wiegend abgeschlossen, wobei mehr als 90%, vorzugsweise mindestens 95% des Kraftstoffes mit Luft vermischt sind. Zum Zeitpunkt der Zündung liegt ein annä- hernd homogenes Gemisch, insbesondere ein quasihomogenes Gemisch im Zylin- der vor. Dabei ist in einem zentralen Bereich 40 des Brennraumes 6 im Wesentli- chen über der Kolbenmulde 3 eine Zone mit homogenem Gemisch, und radial außerhalb dieses zentralen Bereichs 40 einen im Wesentlichen ringförmiger Be- reich 41 mit einer Zone mit Luft oder einem mageren Grundgemisch ausgebildet, wie in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass auf Grund der Nachreaktion zwischen Sauerstoff - 0 2 und Russ - C zu C0 2 die vorgemischte Ver- brennung sehr russarm erfolgt. Auch das Abgas weist eine quasihomogene Zu- sammensetzung mit einem Gehalt an CO< l%, insbesondere zwischen 0,6-0, 8%, und einem Gehalt an 0 2 <1% auf. Die Brennkraftmaschine kann dabei nach dem Miller- oder Atkinson-Kreisprozess mit einem frühen oder späten Einlassschluss betrieben werden. Die Einlasskanäle der Brennkraftmaschine und der Brennraum 6 sind so gestaltet, dass eine niedrige Tumble-Zahl, insbesondere eine Tumblezahl < 1 erreicht wird.

Die Brennkraftmaschine kann nach dem Zweitaktverfahren oder nach dem Vier- taktverfahren arbeiten.

Die Kraftstoffeinspritzung E kann einmalig oder mehrmalig erfolgen, wie in den Fig. 6a bis Fig. 6c schematisch dargestellt ist. In Fig. 6a bis Fig. 6c sind dabei die Einspritzereignisse E über dem Kurbelwinkel für jeweils einen Arbeitszyklus aufge- tragen, wobei die oberen Totpunkte mit TDC und die unteren Totpunkte mit BDC bezeichnet sind.

Fig. 6a zeigt dabei eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einmali- ger Kraftstoffeinspritzung E während des Verdichtungstaktes.

Fig. 6b zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zweimaliger Kraftstoffeinspritzung E während des Verdichtungstaktes.

Fig. 6c zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dreimaliger Kraftstoffeinspritzung E, wobei die ersten zwei Kraftstoffeinspritzungen E während des Ansaugtaktes und eine Kraftstoffeinspritzung E während des Verdichtungs- taktes erfolgen.

Zusätzlich können eine oder mehrere Einspritzungen im Ansaugtakt vorgesehen sein. Die einzelnen Einspritzungen im Verdichtungshub und im Saughub können dabei unterschiedliche Mengenaufteilungen aufweisen im Verhältnis zwischen 10/90 bis 90/10 aufweisen. Auch bei mehr als zwei Einspritzereignissen können die Kraftstoff mengen unterschiedlich aufgeteilt sein. Beispielsweise kann die Men- genaufteilung bei drei Einspritzereignissen 10/25/65 oder 60/30/10 betragen.