DE102007053890A1 - Method for operating internal combustion engine, involves designing of swirl duct valve for increasing swirl amplitude by small valve lifts, particularly in area between two millimeters and four millimeters - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotor mit Selbstzündung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.The The present invention relates to a method of operating an internal combustion engine with auto-ignition according to the generic term of the independent claim.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit verringerter Ruß- und Stickoxidemissionen (NOx) die in Betrieb von gattungsgemäßen Verbrennungsmotoren erzeugt werden. Ferner betrifft die Erfindung einen gattungsgemäßen Verbrennungsmotor zur Ausführung des Verfahrens.The The invention relates in particular to a generic type Method for operating an internal combustion engine with reduced Soot and nitrogen oxide (NOx) emissions in operation of generic Internal combustion engines are generated. Furthermore, the invention relates a generic internal combustion engine for execution of the procedure.
Zur Erfüllung heutiger und zukünftiger strenger Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw ist der Einsatz verschiedener Technologien bekannt, die eine Abstimmung relativ vieler inner- und außermotorischer Maßnahmen zur Emissionsreduzierung beinhalten. Bekannte motorische Maßnahmen zur Reduzierung der Rohemissionen betreffen das Brennverfahren (Brenngestaltung, Kanalform, Drall der Einlassströmung), Einstellung des Lambdawertes, Einspritzzeitpunkt und Abgasrückführung, Einspritzsystem (Anpassung des Einspritzverlaufs), Abgasrückführung, Aufladung, Ladeluftkühlung, Wassereinspritzung. Außermotorische Abgasnachbehandlungsmaßnahmen umfassen den Einsatz von Partikelfiltern, Oxidationskatalysatoren und NOx-Katalysatoren.to Fulfill current and future stringent emission limits for diesel cars is the use of different technologies known that a vote relatively many internal and external motor Include emission reduction measures. Known Motorized measures to reduce raw emissions concern the combustion process (firing design, channel shape, twist the intake flow), adjustment of the lambda value, injection timing and exhaust gas recirculation, injection system (adaptation the course of injection), exhaust gas recirculation, charging, Intercooling, water injection. Engine- Exhaust aftertreatment measures include the use of Particulate filters, oxidation catalysts and NOx catalysts.
Bekannt ist auch, dass bei Dieselmotoren Maßnahmen, die die Rußemissionen reduzieren, dazu tendieren, die Strickoxidemissionen zu erhöhen. Während es noch für die Einhaltung der Euro4-Abgasgrenzwerte möglich war, bei relativ niedrigen NOx-Emissionen relativ hohe Rußemissionen zu tolerieren, da letztere durch im Abgassystem angeordnete Partikelfilter aufgefangen werden konnten, ist dies bei den strengeren Abgasgrenzwerten nach Euro5 nicht mehr möglich, da die Partikelfilter nach zu kurzer Zeit bereits eine hohe Beladung aufweisen, was eine häufige Regeneration mit entsprechend hohem Kraftstoffverbrauch und erhöhter Kohlendioxidemission zur Folge hat.Known is also that in diesel engines measures that the soot emissions reduce, tend to increase the knit oxide emissions. While it is still for compliance with Euro4 emission limits was possible at relatively low NOx emissions relative tolerate high levels of soot emissions, as the latter can be tolerated by Exhaust system arranged particulate filters could be collected this is no longer the case with the stricter emission limits according to Euro5 possible because the particle filter already too short time have a high load, which is a frequent regeneration with correspondingly high fuel consumption and increased Carbon dioxide emissions result.
Aus
der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher bei einem Verbrennungsmotor mit Selbstzündung eine Reduzierung der Rohemissionen von Stickoxiden und Rußpartikeln zu erreichen, so dass diese möglichst nahe an die durch die Euro-Norm 5 festgelegten jeweiligen Grenzwert kommen und bei einem Kraftfahrzeug mit einem im Abgassystem angeordneten Partikelfilter die besagten EU5 Grenzwerte der End-Pipe-Emissionen erreicht oder unterschritten werden können.task The present invention is therefore in an internal combustion engine with auto-ignition a reduction of the raw emissions of nitrogen oxides and soot particles, so that these possible close to the respective limit set by Euro Standard 5 come and in a motor vehicle with a arranged in the exhaust system Particulate filter the said EU5 limit values of end-pipe emissions can be reached or fallen below.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches gelöst.The The object is achieved by a method to operate an internal combustion engine with auto-ignition solved with the features of the independent claim.
Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors
mit Selbstzündung mit einem Motorblock mit zumindest einem
Zylinder und einem diesen zugeordneten Kolben, einem Einspritzsystem
zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder sowie einer
Einlasseinrichtung
für Ladeluft mit zumindest einem Einlassasskanal und einem
zugeordneten Einlassventil und einer
Auslasseinrichtung für
Abgas mit zumindest einem Auslasskanal und einem diesem zugeordneten
Auslassventil und einem anschließendem Abgassystem mit
Partikelfilter
wobei der Zylinder einen Zylinderkopf und der
Kolben einen Kolbenkopf aufweist und Zylinderkopf und Kolbenkopf
Innenflächen eines Brennraumes bilden
und in der Oberfläche
des Kolbenkopfs eine Kolbenmulde mit einem Muldenrand angeordnet
ist, wobei bei einem auf einen Kreis normierten Muldenrand das Verhältnis
von Muldenranddurchmesser zu Kolbendurchmesser größer
0,55 ist oder bei einer zu 90% gefüllten Kolbenmulde bei
einer auf einen Kreis normierten Füllfläche das
Verhältnis der Füllfläche zur Kolbenquerschnittsfläche > 0,30 ist
ein
Einlasskanal als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil
ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum
einen Drall erhält,
die Einlasseinrichtung als weiteren
Einlasskanal einen Füllkanal mit einem zugeordneten Füllkanalventil aufweist,
wobei der Füllkanal durch eine schaltbare Drallklappe geöffnet
und geschlossen werden kann, wobei die Drallklappe mindestens drei Öffnungsstellungen
aufweist
sieht vor, dass
das Drallkanalventil zur Drallanhebung
bei kleinen Ventilhüben, insbesondere in einem Bereich
zwischen 2 mm und 4 mm, ausgelegt ist und
mittels unterschiedlicher Öffnungsstellungen
der Drallklappe
in einem Betriebspunkt von 1500 1/Min. und
einem effektiven Mitteldruck von 2 bar und einer konstanten NOx-Rohemission < 0,7 g/kWh eine
Rußzahl FSN < 0,2
eingestellt wird
und/oder
in einem Betriebspunkt mit 2000
1/Min. und 5 bar effektiven Mitteldruck und einer NOx-Rohemission < 1,2 g/kWh eine
Rußzahl FSN < 0,8
eingestellt wird
und/oder
in einem Betriebspunkt bei 2000
1/Min. und 8 bar effektiven Mitteldruck und einer konstanten NOx-Rohemission < 1,5 g/kWh eine
Rußzahl FSN < 1
eingestellt wird.The inventive method for operating an internal combustion engine with auto-ignition with an engine block with at least one cylinder and a piston associated therewith, an injection system for direct fuel injection into the cylinder and a
Inlet device for charge air with at least one inlet passage and an associated inlet valve and a
Exhaust device for exhaust gas with at least one outlet channel and an associated exhaust valve and a subsequent exhaust system with particulate filter
wherein the cylinder has a cylinder head and the piston has a piston head and the cylinder head and piston head form inner surfaces of a combustion chamber
and in the surface of the piston head, a piston recess is arranged with a trough edge, wherein in a normalized to a circle trough edge, the ratio of bowl rim diameter to piston diameter is greater than 0.55 or in a 90% filled piston bowl with a normalized to a circle filling surface, the ratio the filling surface to the piston cross-sectional area> 0.30
an inlet channel is formed as a swirl channel with an associated swirl channel valve, wherein the inlet flow into the combustion chamber receives a twist,
the inlet device as a further inlet channel a filling channel with an associated Füllkanalventil wherein the filling channel can be opened and closed by a switchable swirl flap, wherein the swirl flap has at least three open positions
provides that
the swirl duct valve is designed to increase the swirl at small valve strokes, in particular in a range between 2 mm and 4 mm, and
by means of different opening positions of the swirl flap
at an operating point of 1500 1 / min. and an effective mean pressure of 2 bar and a constant NOx raw emission <0.7 g / kWh a soot number FSN <0.2 is set
and or
at an operating point of 2000 1 / min. and 5 bar effective mean pressure and a raw NOx emission <1.2 g / kWh a soot number FSN <0.8 is set
and or
at an operating point at 2000 1 / min. and 8 bar effective mean pressure and a constant NOx raw emission <1.5 g / kWh a soot number FSN <1 is set.
Der Verbrennungsmotor mit Selbstzündung kann mittels unterschiedlicher Öffnungsstellungen der Drallklappe so betrieben werden, dass in einem Betriebspunkt von 1500 1/Min. und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar und einer konstanten NOx-Rohemission von < als 0,7 g/kWh eine Rußzahl FSN von < als 0,2 eingestellt wird.Of the Internal combustion engine with self-ignition can by means of different opening positions of the Swirl flap operated so that at an operating point of 1500 1 / min. and an effective mean pressure of 2 bar and one constant NOx raw emissions of <than 0.7 g / kWh a soot number FSN of <than 0.2 is set.
Ferner ist vorgesehen, dass in einem Betriebspunkt mit 2000 1/Min. und 5 bar effektiven Mitteldruck und einer NOx-Rohemission von < als 1,2 g/kWh eine Rußzahl FSN von < als 0,8 eingestellt wird und/oder in einem Betriebspunkt bei 2000 1/Min. und 8 bar effektiven Mitteldruck und einer konstanten NOx-Rohemission von weniger als 1,5 g/kWh eine Rußzahl FSN von weniger als 1 eingestellt wird.Further it is envisaged that at an operating point of 2000 1 / min. and 5 bar effective mean pressure and a raw NOx emission of <1.2 g / kWh Soot number FSN of <than 0.8 is set and / or at an operating point at 2000 1 / min. and 8 bar effective medium pressure and a constant NOx raw emission less than 1.5 g / kWh a soot number FSN of less is set as 1.
Die
Drallanhebung besteht vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2 mm
und 4 mm, ggfs. mit Drallwerten sowie Durchflusskoeffizienten wie
in Zusammenhang mit den
Die genannte Drallanhebung kann mittels einer Bearbeitung des Drallkanalventil erreicht werden, wie noch genauer dargelegt wird.The said swirl increase can by means of a processing of the swirl duct valve be achieved, as will be explained in more detail.
Das
Verfahren ist ausführbar mit einem Verbrennungsmotor mit
Selbstzündung mit einem Motorblock mit zumindest einem
Zylinder und einem diesen zugeordneten Kolben, einem Einspritzsystem zur
Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder sowie einer
Einlasseinrichtung
für Ladeluft mit zumindest einem Einlassasskanal und einem
zugeordneten Einlassventil und einer
Auslasseinrichtung für
Abgas mit zumindest einem Auslasskanal und einem diesem zugeordneten
Auslassventil und einem anschließendem Abgassystem mit
Partikelfilter versehen,
wobei der Zylinder einen Zylinderkopf
und der Kolben einen Kolbenkopf aufweist und Zylinderkopf und Kolbenkopf
Innenflächen eines Brennraumes bilden
und in der Oberfläche
des Kolbenkopfs eine Kolbenmulde mit einem Muldenrand angeordnet
ist, wobei bei einem auf einen Kreis normierten Muldenrand das Verhältnis
von Muldenranddurchmesser zu Kolbendurchmesser größer
0,55 ist oder bei einer zu 90% gefüllten Kolbenmulde bei
einer auf einen Kreis normierten Füllfläche das
Verhältnis der Füllfläche zur Kolbenquerschnittsfläche > 0,30 ist
ein
Einlasskanal als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil
ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum
einen Drall erhält.The method is executable with an internal combustion engine with self-ignition with an engine block having at least one cylinder and a piston associated therewith, an injection system for fuel injection into the cylinder and a
Inlet device for charge air with at least one inlet passage and an associated inlet valve and a
Exhaust gas outlet device with at least one outlet channel and an outlet valve associated therewith and a downstream exhaust system with particle filter,
wherein the cylinder has a cylinder head and the piston has a piston head and the cylinder head and piston head form inner surfaces of a combustion chamber
and in the surface of the piston head, a piston recess is arranged with a trough edge, wherein in a normalized to a circle trough edge, the ratio of bowl rim diameter to piston diameter is greater than 0.55 or in a 90% filled piston bowl with a normalized to a circle filling surface, the ratio the filling surface to the piston cross-sectional area> 0.30
an intake passage is formed as a swirl passage with an associated swirl passage valve, wherein the intake flow into the combustion chamber receives a swirl.
Der
Verbrennungsmotor ist ausgelegt, dass für zumindest einen
ausgewählten Zylinder bei Ein-Kanalöffnung
die
Einlassströmung bei zumindest einem Ventilhub Vh zwischen
2 mm und Vhh = 0.5·Vhm eine Drallanhebung mit einer ventilhubabhängigen
Tippelmann-Drallzahl D mit einen Wert > 0,3 aufweist, wobei Vhm den maximalen
Ventilhub, insbesondere mit einem Wert Vhm = 8 mm bezeichnet,
die
Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh =
2 mm und Vhh = 0.5 Vhm eine Drallanhebung mit einer normierten integralen
Tippelmann-Drallzahl Di mit einen Wert > 0,40/mm aufweist oder
die Einlassströmung
in einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0,5 Vhm eine
Drallanhebung aufweist, derart dass bei einer Vermessung der ventilhubabhängigen
Tippelmann-Drallzahl D in Abständen von 0,5 mm die gemittelte
Tippelmann-Drallzahl Dm für mindestens ein Ventilhubintervall
DeltaV = 1 mm einen Wert > 0,4
aufweist.The internal combustion engine is configured for at least one selected cylinder at single-port opening
the inlet flow at at least one valve lift Vh between 2 mm and Vhh = 0.5 · Vhm has a swirl increase with a valve lift-dependent Tippelmann swirl number D having a value> 0.3, where Vhm denotes the maximum valve lift, in particular with a value Vhm = 8 mm,
the inlet flow in a valve lift range between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 Vhm has a swirl increase with a normalized integral Tippelmann swirl number Di with a value> 0.40 / mm or
the inlet flow in a Ventilhubbereich between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 Vhm has a swirl increase, so that in a measurement of the valve lift-dependent Tippelmann swirl number D at intervals of 0.5 mm, the average Tippelmann swirl number Dm for at least one valve lift interval DeltaV = 1 mm has a value> 0.4.
Bei Einkanalöffnung erfolgt lediglich über den Drallkanal eine Zufuhr von Ladeluft in den Brennraum.at Single-channel opening takes place only via the swirl channel a supply of charge air into the combustion chamber.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist es möglich im Betriebspunkt 2000 1/min und einem effektiven Mitteldruck von 8 bar eine NOx-Emission von < 1,55 g/kWh bei einer Rußemission von < 0,08 g/kWh zu erreichen. Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor in den oben genannten Betriebspunkt auch noch Emissionen von < 1,5, 1,43, 1,38 und 1,3 g/kWh bei Ruhemissionen von < 0,075, 0,071, 0,065 oder 0,006 g/kWh erreichen.With It is the internal combustion engine according to the invention possible at operating point 2000 1 / min and an effective Medium pressure of 8 bar a NOx emission of <1.55 g / kWh with a soot emission of <0.08 g / kWh to reach. Preferably, the inventive Internal combustion engine in the above operating point also Emissions of <1.5, 1.43, 1.38 and 1.3 g / kWh at quiescent emissions of <0.075, 0.071, 0.065 or 0.006 g / kWh to reach.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug weist bei einem Betrieb im neuen europäischen Fahrtzyklus NOx-Rohemissionen mit einem Wert von < 300 mg/km und Partikel-Rohemissionen mit einem Wert von < 35 mg/km auf. Vorzugsweise weist ein derartiges Kraftfahrzeug NOx-Rohemissionen mit einem Wert < 280 mg/km, 235 mg/km, 200 mg/km, 180 mg/km oder 160 mg/km und gleichzeitig Partikel-Rohemissionen, die einen Wert von 40 mg/km, 45 mg/km, 50 mg/km, 55 mg/km oder 60 mg/km nicht überschreiten auf.A motor vehicle equipped with the internal combustion engine according to the invention, when operated in the new European driving cycle, has NOx raw emissions of <300 mg / km and raw particle emissions of one value of <35 mg / km. Preferably, such a motor vehicle NOx emissions with a value of <280 mg / km, 235 mg / km, 200 mg / km, 180 mg / km or 160 mg / km and at the same time raw particle emissions, which have a value of 40 mg / km , 45 mg / km, 50 mg / km, 55 mg / km or 60 mg / km.
Ein derartiges Fahrzeug erreicht oder unterschreitet bei Einsatz eines Partikelfilters die Abgasgrenzwerte der neuen europäischen Norm EU5.One Such vehicle reaches or falls below when using a Particulate filter the emission limits of the new European Standard EU5.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einlassströmung bei Einkanalöffnung und bei maximalen Ventilhub Vhm, insbesondere mit Vhm = 8 mm, eine ventilhubabhängige Tippelmann-Drallzahl D mit einen Wert > 0,4 und/oder das Einlassventil einen ventilhubabhängigen Durchflusskoeffizienten αK > 0,04 aufweist: Damit lässt sich eine verbesserte Gemischaufbereitung bei gleichzeitig guter Zylinderfüllung erreichen.In A preferred embodiment provides that the inlet flow at single-channel opening and at maximum valve lift Vhm, in particular with Vhm = 8 mm, a Ventilhubabhängige Tippelmann swirl number D with a value> 0.4 and / or the inlet valve one Ventilhubabhängigen flow coefficient αK> 0.04 has: Thus can be an improved mixture preparation at the same time reach good cylinder filling.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.advantageous Further developments of the invention are the dependent claims refer to.
Die Erfindung wird nachfolgend unabhängig von der zusammenfassenden Darstellung in den Patentansprüchen anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben aus denen sich weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben.The Invention will hereinafter be independent of the summary Presentation in the claims with reference to in drawings illustrated embodiments described in more detail which results in further advantages and aspects of the invention.
Es zeigenIt demonstrate
In
Es
versteht sich, dass in anderen, in der
Der
Der
Dieselpartikelfilter
Das
Abgassystem ist mit einem Abgasrückführsystem
(AGR) mit einem AGR-Ventil
Es
versteht sich, dass zur Erfüllung strenger Abgasnormen,
die verschiedenen in
Im folgenden werden wichtige Komponenten eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor genauer dargestellt. Vorzugsweise ist dieser für schnell laufende PKW oder leichte Nutzfahrzeuge ausgelegt.in the The following are important components of an inventive Internal combustion engine shown in more detail. Preferably, this is for fast running passenger cars or light commercial vehicles designed.
In
Der
in
Typischerweise weist der Verbrennungsmotor vier bis sechs Zylinder auf.typically, The internal combustion engine has four to six cylinders.
Die
Kolbenmulde
Die
Kolbenmulde
Das Verhältnis von Muldenranddurchmesser zu Kolbenranddurchmesser ist > 0,55, vorzugsweise > 0,58, 0,60, 0,62, 0,65, 0,70 oder 0,80, was zu einer größeren freien Einspritzlänge und einer verbesserten Gemischaufbereitung führt.The Ratio of bowl rim diameter to piston rim diameter is> 0.55, preferably> 0.58, 0.60, 0.62, 0.65, 0.70 or 0.80, resulting in a larger free Injection length and improved mixture preparation leads.
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bei einer
zu 90% gefüllten Kolbenmulde
Die
in
Der
maximale Muldeninnendurchmesser ist vorzugsweise höchstens
15%, 10%, 8%, 6%, 4%, 3% oder 1% größer als der
Muldenrand-Durchmesser
Der oder die Zylinder weisen eine Bohrung von weniger als 110 mm auf. Bevorzugt kann die Bohrung auch ≤ als 100 mm, 95 mm oder 90 mm betragen. Das Einzelzylindervolumen beträgt weniger als 0,8 l vorzugsweise < als 0,7 l oder 0,6 l.Of the or the cylinders have a bore of less than 110 mm. Preferably, the bore also ≤ than 100 mm, 95 mm or 90 mm. The single cylinder volume is less than 0.8 l, preferably <than 0.7 l or 0.6 l.
Ferner ist der Zylinder mit einem Einspritzsystem zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder verbunden. Das Einspritzsystem ist in Common-Rail-Technik ausgebildet mit dem Kraftstoff mit bis zu 1800 bar in den Zylinder eingespritzt wird. Es versteht sich, dass die Erfindung auch mit anderen Einspritzsystemen und/oder höheren Einspritzdrücken arbeitet.Further is the cylinder with an injection system for direct fuel injection connected to the cylinder. The injection system is in common rail technology trained with the fuel with up to 1800 bar in the cylinder is injected. It is understood that the invention also with other injection systems and / or higher injection pressures is working.
Das Einspritzsystem umfasst zur Gewährleistung einer hohen Homogenität des Gemischs und geringen Russbildung während des Dieselverbrennungsprozesses einen Injektor mit einem Düsensitz und einem Düsenelement mit mehr als 7 Löchern. Vorzugsweise weist der Injektor eine Lochzahl von >= 8, 9, 10, 12 oder 14 auf. Der Injektor ist vorzugsweise zentrisch zur Kolbenmulde angeordnet.The Injection system includes to ensure a high Homogeneity of the mixture and low soot formation during of the diesel combustion process an injector with a nozzle seat and a nozzle element with more than 7 holes. Preferably the injector has a number of holes of> = 8, 9, 10, 12 or 14. The injector is preferably arranged centrally to the piston recess.
Bei einem Injektor mit 8 Lochdüse ist ein Lochdurchmesser von 0,123 mm bevorzugt. Die größere Lochanzahl ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum und damit eine Emissonsreduzierung bei möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch.at an injector with 8 hole nozzle is a hole diameter of 0.123 mm preferred. The larger number of holes allows a more even distribution of the fuel in the combustion chamber and thus a emission reduction if possible low fuel consumption.
Der Injektordurchfluss ist an die Lochzahl angepasst. Vorzugsweise ist für eine Lochzahl > 7 der Durchfluss DDF am Kraftstoff durch den Injektor innerhalb von 30 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar bestimmt durch DDF = (–230 + 70·L)·(1 +– 0,20), wobei die Lochzahl mit L bezeichnet ist.The injector flow rate is adjusted to the number of holes. Preferably, for a number of holes> 7, the flow rate DDF at the fuel through the injector is determined within 30 seconds at an injection pressure of 100 bar by DDF = (-230 + 70 · L) · (1 + - 0.20), wherein the number of holes is denoted by L.
Bei der Vermessung des Durchfluss des Injektors wird nur der Düsensitz vermessen ohne Düsenelement.at the measurement of the flow rate of the injector is only the nozzle seat measured without nozzle element.
Mit dem Zylinder ist eine Einlasseinrichtung für Ladeluft mit zumindest einem Einlasskanal mit einem zugeordneten Einlassventil und eine Auslasseinrichtung für Abgas mit zumindest einem Auslassventil und einem diesem zugeordneten Auslassventil verbunden, wie im weiteren genauer dargestellt wird. Als Ladeluft wird die dem Motor zugeführte Ladung an Frischluft bezeichnet – auch für den Fall eines Motors ohne Turboaufladung oder dergleichen.With the cylinder is an inlet device for charge air with at least one inlet channel with an associated inlet valve and an exhaust gas outlet device having at least one Exhaust valve and associated with this outlet valve, as will be shown in more detail below. As a charge air is the called charge of fresh air to the engine - too in the case of an engine without turbocharging or the like.
Bei dem erfindungsgemäßen Motor weist die Einlasseinrichtung zumindest einen Einlasskanal auf, der als Drallkanal mit einem zugeordneten Drallkanalventil ausgebildet ist, wobei die Einlassströmung in den Brennraum einen Drall (Swirl) erhält – eine Verwirbelung der Ladeluft mit einer im wesentlichen parallel zur Zylinderachse orientierten Drehachse. Als Einlassströmung wird die während der Ansaugphase in den Zylinder einströmende Ladeluft bezeichnet.at The engine according to the invention has the inlet device at least one inlet channel, which as swirl channel with an associated Swirl channel valve is formed, wherein the inlet flow in the combustion chamber receives a swirl - a turbulence the charge air with a substantially parallel to the cylinder axis oriented axis of rotation. As inlet flow, the during the intake phase in the cylinder inflowing charge air called.
Der Drall der Einlassströmung in den Brennraum unterstützt die Gemischaufbereitung und kann die kinetische Energie im Zylinder erhöhen, was zu einer beschleunigten Verbrennung beitragen kann. Da der Drall die Zündverzögerung bei der Verbrennung verlängert, vermindert er den Auftrag von Kraftstoff auf die Zylinderwände und damit die Bildung von Kohlenwasserstoffen und Russ. Andererseits führt ein niedriger Drall zu geringeren Wärmeverlusten, einem besseren Wirkungsgrad vor der Zündung und zu niedrigeren NOx-Emissionen. Daher kann mehr oder weniger Drall günstig für die Partikel- und NOx-Emissionen sein. Die Erfindung zielt auf die Optimierung des Dalls der Einlassströmung zur Verminderung von Russbildung bei niedriger NOx-Bildung.Of the Swirl of intake flow into the combustion chamber supported the mixture preparation and can the kinetic energy in the cylinder increase what contribute to accelerated combustion can. Since the twist the ignition delay at the Increase combustion, it reduces the order of fuel on the cylinder walls and thus the formation of hydrocarbons and Russ. On the other hand, a low twist leads to less Heat loss, better efficiency before ignition and lower NOx emissions. Therefore, more or less Spin favorable for the particle and NOx emissions be. The invention aims at optimizing the inlet flow dell to reduce soot formation with low NOx formation.
Der Drall der Einlassströmung wird durch die Geometrie des Einlasskanals und des Einlassventils bestimmt; bei mehr als einem Einlasskanal durch die Geometrie der Einlasskanäle und der Einlassventile die jeweils von Ladeluft durchströmt werden. Zur Erreichung eines vorgegebenen Dralls werden die Geometrie von Einlasskanal und zugeordnetem Einlassventil mittels an sich bekannter Optimierungsverfahren festgelegt.Of the Swirl of the inlet flow is determined by the geometry of the Intake channel and the inlet valve determines; with more than one Inlet through the geometry of the inlet channels and the inlet valves each flows through the charge air become. To achieve a given twist, the geometry intake passage and associated intake valve by itself set known optimization method.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor eine Einlasseinrichtung mit einen Drallkanal und einen Füllkanal auf, wobei der Füllkanal für Ladeluft betriebspunktabhängig geöffnet oder geschlossen werden kann.In a preferred embodiment, the inventive Internal combustion engine an inlet device with a swirl duct and a filling channel, wherein the filling channel for Charge air operating point dependent opened or closed can be.
In
Drallkanal
In
Bei
dem in den
Der
Füllkanal
Das
Drallkanalventil ist erfindungsgemäß ausgebildet
zur Anhebung des Dralls bei geringem Ventilhüben, wie beispielhaft
in
Zur Anhebung des Dralls bei niedrigem Ventilhub weist der Ventilsitz eine, vorzugsweise in Bezug auf eine vertikale Ventilachse asymmetrische, Bearbeitung auf; beispielsweise in der Art einer Maskierung oder Abschirmung, wodurch der Luftmassenstrom zu Beginn des Ventilhubs in eine definierte Richtung gelenkt wird.to Raising the twist at low valve lift, the valve seat a, preferably asymmetric with respect to a vertical valve axis, machining on; for example, in the manner of masking or shielding, whereby the air mass flow at the beginning of the valve in a defined direction is steered.
Bei
einem Ventil mit Abschirmung wird durch ein Abschirmblech am Ventil
die definierte Strömungsrichtung vorgegeben; vergleiche
linke Seite von
Die
rechte Seite von
In
beiden Fällen muss der Luftmassenstrom bei kleinen Ventilhüben
(in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm oder 50% des maximalen Ventilhubs
Vhm) durch den Spalt
Im
Rahmen der Erfindung wird der Drall der Einlassströmung
durch die ventilabhängige Tippelmann-Drallzahl charakterisiert,
die auf einem Tippelmann-Prüfstand gemessen werden kann;
vgl.
In
- • Mz – Drehmoment an der Wabe
- • RZyl – Zylinderradius
- • V – Volumenstrom durch den Zylinder
- • pL – Dichte der Luft im Zylinder
- • M z - torque on the honeycomb
- • R Cyl cylinder radius
- • V - flow through the cylinder
- • p L - density of air in the cylinder
Im Gegensatz zu dem Drallmoment Mz ist die Drallzahl D für unterschiedliche Zylinderköpfe ähnlicher Motoren direkt vergleichbar und wird daher zur Charakterisierung des Dralls gemäß der Erfindung eingesetzt.In contrast to the swirl moment M z , the swirl number D is directly comparable for different cylinder heads of similar engines and is therefore used to characterize the swirl according to the invention.
Die relativ große Kolbenmulde hat den Vorteil einer besseren Füllung mit Ladeluft und eine geringere thermische Belastung des Kolbens, bedingt jedoch eine Abnahme des Dralls gegenüber einer relativ kleineren Kolbenmulde. Dieser Abnahme des Dralls wird erfindungsgemäß entgegengewirkt.The relatively large piston recess has the advantage of a better Fill with charge air and a lower thermal load of the piston, however, due to a decrease in the twist a relatively smaller piston recess. This decrease of the twist will counteracted according to the invention.
Erfindungsgemäß weist
der Verbrennungsmotor eine Einlassströmung mit Drallanhebung
bei niedrigen Ventilhüben auf, wobei vorgesehen ist dass
die
Einlassströmung bei zumindest einem Ventilhub Vh zwischen
2 mm und Vhh = 0.5·Vhm eine Drallanhebung mit einer ventilhubabhängigen
Tippelmann-Drallzahl D mit einen Wert > 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 aufweist, wobei
Vhm den maximalen Ventilhub, insbesondere mit einem Wert Vhm = 8
mm bezeichnet,
die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich
zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0.5·Vhm eine Drallanhebung
mit einer normierten integralen Tippelmann-Drallzahl Di mit einen
Wert > 0,40/mm, 0,50/mm
oder 0,60/mm aufweist oder
die Einlassströmung in
einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh =0,5 Vhm eine
Drallanhebung aufweist, derart dass bei einer Vermessung der ventilhubabhängigen
Tippelmann-Drallzahl D in Abständen von 0,5 mm die gemittelte
Tippelmann-Drallzahl Dm für mindestens ein Ventilhubintervall
DeltaV = 1 mm einen Wert ≥ 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 aufweist.According to the invention, the internal combustion engine has an inlet flow with swirl lift at low valve lifts, wherein it is provided that
the inlet flow at at least one valve lift Vh between 2 mm and Vhh = 0.5 · Vhm a swirl increase with a valve lift-dependent Tippelmann swirl number D with a value>0.3;0.4;0.5;0.6; 0.7, wherein Vhm denotes the maximum valve lift, in particular with a value Vhm = 8 mm,
the inlet flow in a valve lift range between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 · Vhm has a swirl lift with a normalized integral Tippelmann swirl Di having a value> 0.40 / mm, 0.50 / mm or 0.60 / mm or
the inlet flow in a Ventilhubbereich between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 Vhm has a swirl increase, so that in a measurement of the valve lift-dependent Tippelmann swirl number D at intervals of 0.5 mm, the average Tippelmann swirl number Dm for at least one valve lift interval DeltaV = 1 mm a value ≥ 0.4; 0.5; 0.6; 0.7.
Einlassströmungen von Verbrennungsmotoren mit Selbstzündung mit vergleichbar relativ großer Kolbenmulde im Stand der Technik haben für kleine Ventilhübe (Bereich von 2 mm bis 5 mm oder Bereich von 2 mm bis 50% von Vhm) eine ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D mit einen Wert um 0,2.inlet flows of internal combustion engines with compression ignition comparable with relatively large piston recess in the prior art have for small valve strokes (range from 2 mm to 5 mm or range of 2 mm to 50% of Vhm) a valve lift-dependent Tippelmann swirl number D with a value around 0.2.
Vorteilhaft weist bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor die Einlassströmung in einen Bereich kleiner Ventilhübe eine Drallanhebung auf, sodass in diesem Ventilhubbereich eine definitive hohe Drallausrichtung der Einlassströmung aufrecht erhalten wird, die bei einem Kolben mit einer relativ großen Kolbenmulde mit einem Verhältnis von Muldenranddurchmesser zu Kolbenranddurchmesser > 0,55 es erlaubt sowohl eine niedrige Partikel- als auch NOx-Rohemissionen zu erreichen.Advantageous has in the internal combustion engine according to the invention the inlet flow into a range of small valve strokes a swirl increase, so that in this Ventilhubbereich a definite maintain high swirl orientation of the inlet flow that is in a piston with a relatively large piston recess with a ratio of bowl rim diameter to piston rim diameter> 0.55 it allows both achieve low emissions of particulate matter as well as NOx.
Die
In
Der maximale Ventilhub hat einen Wert von 8 mm, kann aber selbstverständlich auch einen davon verschiedenen Wert haben.Of the maximum valve lift has a value of 8 mm, but it goes without saying also have a different value.
Erkennbar
ist, dass die Einlassströmung gemäß Kurve
Bevorzugt sind in Rahmen der Erfindung ferner Werte der Drallzahl > 2; 3; 4 im Ventilhubbereich 2 mm bis 5 mm.Prefers are within the scope of the invention also values of the swirl number> 2; 3; 4 in the valve lift 2 mm to 5 mm.
Ferner kann Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0.5·Vhm eine Drallanhebung mit einer normierten integralen Tippelmann-Drallzahl Di mit einen Wert > 0,40/mm aufweist. Als normierte integrale Tippelmann-Drallzahl wird das Integral von über ein Ventilhub-Intervall dividiert durch die Intervalllänge bezeichnet.Further can inlet flow in a valve lift between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 · Vhm a swirl lift with a normalized integral Tippelmann swirl Di having a value> 0.40 / mm. As a normalized integral Tippelmann spin number, the integral of over a valve lift interval divided by the interval length designated.
Ferner kann die Einlassströmung in einem Ventilhubbereich zwischen Vh = 2 mm und Vhh = 0,5 Vhm eine Drallanhebung aufweisen, derart dass bei einer Vermessung der ventilhubabhängigen Tippelmann-Drallzahl D in Abständen von 0,5 mm die mitttere Tippelmann-Drallzahl Dm für mindestens ein Ventilhubintervall DeltaV = 1 mm einen Wert ≥ 0,4 aufweist.Further The intake flow may be in a valve lift range between Vh = 2 mm and Vhh = 0.5 Vhm have a swirl lift, so that during a measurement of the valve lift-dependent Tippelmann swirl number D at intervals of 0.5 mm the central Tippelmann swirl number Dm for at least one valve lift interval DeltaV = 1 mm has a value ≥ 0.4.
In
Die
Einlassströmung gemäß Kurve
Erfindungsgemäß ist ferner ein hoher Drall D von mehr als 0,4 auch bei maximalem Ventilhub vorgesehen um damit die Gemischaufbereitung weiter zu verbessern. Der hohe Drall bei maximalem Ventilhub wird vorzugsweise durch Auslegung des Drallkanals erreicht.According to the invention Furthermore, a high twist D of more than 0.4, even at maximum valve lift provided in order to further improve the mixture preparation. The high swirl at maximum valve lift is preferably by design reached the swirl channel.
Neben dem Drallzahl ist der Durchfluss durch das oder die Einlassventile eine wichtige Größe zur Charakterisierung der Einlassströmung.Next the swirl number is the flow through the inlet valve (s) an important parameter for the characterization of Inlet flow.
Der
ventilhubabhängige Durchflusskoeffizient αk charakterisiert
die Einströmung in den Zylinder durch das oder die Einlassventile,
das heißt die Durchlässigkeit des Ventils, wobei
man einen tatsächlich durchgesetzten Luftmassenstrom auf
einen theoretisch möglichen Luftmassenstrom bezieht, wie beispielsweise
in der Veröffentlichung
αk für einen Zylinder kann gemäß der folgenden Formel ermittelt werden.
- • mtats – tatsächlicher Luftmassenstrom [kg/s]
- • mtheor – theoretischer Luftmassenstrom [kg/s]
- • Azyl – Querschnittsfläche des Messzylinders [m2]
- • cs – Strömungsgeschwindigkeit bei isentroper Durchströmung [m/s]
- • ps – Luftdichte im Zylinder bei isentroper Durchströmung [kg/m3]
- • RL – spezielle Gaskonstante für Luft [J/(kg·K)]
- • T – Temperatur [K]
- • κ – Isentropenexponent [-]
- • pnach – Druck nach Ventil [Pa]
- • pvor – Druck vor Ventil [Pa]
- • actual - actual air mass flow [kg / s]
- • m theor - theoretical mass air flow [kg / s]
- • A zyl - cross-sectional area of the measuring cylinder [m 2 ]
- • c s - flow velocity with isentropic flow [m / s]
- • p s - air density in the cylinder with isentropic flow [kg / m 3 ]
- • R L - special gas constant for air [J / (kg · K)]
- • T - temperature [K]
- • κ - isentropic exponent [-]
- • p after - pressure after valve [Pa]
- • p before - pressure before valve [Pa]
Der Druck vor dem Ventil pvor entspricht in den obigen Gleichungen dem Umgebungsdruck. Nach dem Ventil ist der im Messzylinder herrschende Druck pnach durch den Verdichter des Prüfstandes vorgegeben. Bei der Messung wird eine konstante Druckdifferenz von 50 hPa eingestellt.The pressure before the valve p before corresponds to the ambient pressure in the above equations. After the valve the pressure prevailing in the measuring cylinder pressure p is given by by the compressor of the test stand. During the measurement, a constant pressure difference of 50 hPa is set.
Bei der Auslegung der Einlasskanäle und der Einlassventile wird vorzugsweise einem Zielkonflikt zwischen hohem Drall für eine gute Gemischaufbereitung und einer hohen Durchlässigkeit des Ventils für eine gute Zylinderfüllung Rechnung getragen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass bei geringen Ventilhüben eine Drallanhebung und bei maximalem Ventilhub ein hoher Durchfluss vorgesehen ist.at the design of the inlet ducts and inlet valves is preferably a target conflict between high spin for a good mixture preparation and a high permeability the valve for a good cylinder filling bill be worn. This is achieved by the fact that at low valve lifts a swirl increase and at maximum valve lift a high flow is provided.
In
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Motor bei 8 mm Ventilhub der Durchflusskoeffizient > 0,04. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist der Durchflusskoeffizient αk > 0,045 oder 0,005 bei 8 mm Ventilhub. Damit wird bei der Erfindung ein hoher Drall bei kleinen Ventilhüben mit einem hohen Durchflussflusskoeffizienten bei großen bzw. maximalen Ventilhub kombiniert.Preferably is in the engine according to the invention at 8 mm valve lift the flow coefficient> 0.04. In further embodiments of the invention, the flow coefficient αk> 0.045 or 0.005 at 8 mm valve lift. Thus, in the invention, a high twist at small valve lifts with a high flow coefficient combined with large or maximum valve lift.
Die
In
In einer weiteren Ausführungsform weist die Drallzahl bei 8 mm Ventilhub einen Wert von maximal 0,6 auf.In In another embodiment, the swirl number contributes 8 mm valve lift has a maximum value of 0.6.
Die
Kurve
Die Erfindung ermöglicht es, betriebspunktabhängig bei konstanter NOx-Roh-Emission die Ruß-Roh-Emissionen in Abhängigkeit von einer Öffnungsstellung einer Drallklappe einzustellen.The Invention allows operating point dependent at constant NOx raw emissions, the soot raw emissions depending on an open position of a Adjust swirl flap.
In
Die hier eingesetzte Einlasseinrichtung weist dabei einen Drallkanal und einen Füllkanal auf, wobei der Füllkanal mit einer Drallklappe versehen ist. Die Drallklappe kann, vorzugsweise stufenlos in verschiedene Öffnungsstellungen geschaltet werden, wobei bei einer Stellung von 90° die Drallklappe geschlossen und bei einer Öffnungsstellung von 0° voll geöffnet ist. Zwischenpositionen von 60° und 40° sind bevorzugt.The Here employed inlet means in this case has a swirl duct and a filling channel, wherein the filling channel with a swirl flap is provided. The swirl flap can, preferably continuously switched to different opening positions being at a position of 90 °, the swirl flap closed and fully open at an open position of 0 ° is. Intermediate positions of 60 ° and 40 ° are preferred.
Die
Kurve
In
In
Die
Der
Verbrennungsmotors mit Selbstzündung kann daher, wenn das
Drallkanalventil eine Bearbeitung zur Drallanhebung bei kleinen
Ventilhüben aufweist mittels unterschiedlicher Öffnungsstellungen der
Drallklappe so betrieben werden, dass in einem Betriebspunkt von
1500 1/Min. und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar und einer
konstanten NOx-Rohemission von < als
0,7 g/kWh eine Russzahl von < 0,2
FSN (dies entspricht von Rußemissionen von < als 0,2 g/kWh)
eingestellt wird. Die Drallanhebung besteht vorzugsweise in einem
Bereich zwischen 2 mm und 4 mm, ggfs. mit Drallwerten sowie Durchflusskoeffizienten
wie in Zusammenhang mit den
Ferner ist vorgesehen, dass in einem Betriebspunkt mit 2000 1/Min. und 5 bar effektiven Mitteldruck und einer NOx-Rohemission von < als 1,2 g/kWh eine Rußzahl eine Rußzahl FSN von < als 0,8 (entsprechend Rußemissionen von < als 0,1 g/kWh) eingestellt wird und/oder in einem Betriebspunkt bei 2000 1/Min. und 8 bar effektiven Mitteldruck und einer konstanten NOx-Rohemission von weniger als 1,5 g/kWh eine Russzahl < 1 FSN (entsprechend Rußemissionen von weniger als 0,2 g/kWh) eingestellt wird.Further it is envisaged that at an operating point of 2000 1 / min. and 5 bar effective mean pressure and a raw NOx emission of <1.2 g / kWh Soot number is a soot number FSN of <0.8 (corresponding to soot emissions of <0.1 g / kWh) is and / or at an operating point at 2000 1 / min. and 8 bar effective Medium pressure and a constant NOx raw emissions of less than 1.5 g / kWh is a carbon number <1 FSN (corresponding to soot emissions of less than 0.2 g / kWh) is set.
- 101101
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 102102
- Motorblockblock
- 103103
- Einlasseinrichtungintake means
- 104104
- Einspritzsysteminjection
- 105105
- Auslasseinrichtungoutlet
- 106106
- Abgassystemexhaust system
- 107107
- Partikelfilterparticulate Filter
- 107a107a
- Katalysatorcatalyst
- 108108
- AbgasrückführsystemExhaust gas recirculation system
- 109109
- AbgasrückführventilExhaust gas recirculation valve
- 110110
- AbgasrückführkühlungExhaust gas recirculation cooling
- 111111
- KühlkreislaufCooling circuit
- 115115
- Turboladerturbocharger
- 116116
- LadeluftkühlerIntercooler
- 201201
- Kolbenkopfpiston head
- 202202
- Oberfläche des Kolbenkopfssurface of the piston head
- 203203
- MuldenranddurchmesserBowl rim diameter
- 204204
- KolbendurchmesserPiston diameter
- 205205
- Kühlkanalcooling channel
- 206206
- Kolbenmuldepiston bowl
- 207207
- Muldenkonturdepression contour
- 208208
- Muldenrandbowl edge
- 209209
- Kolbenachsepiston axis
- 301301
- Drallkanalswirl channel
- 302302
- Füllkanalfilling channel
- 303303
- Drallklappeswirl flap
- 304304
- Luftstrom-DrallkanalAirflow swirl channel
- 305305
- Luftstrom Füllkanalairflow filling channel
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- Zylindercylinder
- 307307
- VentilValve
- 308308
- VentilValve
- 310310
- Einlasseinrichtungintake means
- 315315
- Ventilsitzvalve seat
- 316316
- Ventilsitzvalve seat
- 317317
- Spaltgap
- 401401
- Tippelmann-MessstandTippelmann Measuring Stand
- 402402
- Zylindercylinder
- 403403
- Wabehoneycomb
- 404404
- Einlasskanalinlet channel
- 405405
- VentilValve
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- Drallströmungswirl flow
- 407407
- Zylinderachsecylinder axis
- 501501
- KurveCurve
- 502502
- KurveCurve
- 601601
- KurveCurve
- 602602
- KurveCurve
- 701701
- KurveCurve
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- KurveCurve
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- KurveCurve
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- 902902
- KurveCurve
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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