DE102016009971A1

DE102016009971A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, sowie Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102016009971A1
Application number: DE102016009971.2A
Authority: DE
Inventors: Herbert Zöller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2018-02-22
Also published as: WO2018033232A1; US20190186342A1; CN109563765B; CN109563765A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit zumindest einen Zylinder (2) und einem Kolben (8), wobei der Kolben (8) eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig umlaufenden Kolbenkrone (11) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenstufe (10) aufweist, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur (16) in eine zur Kolbenstufe (10) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenmulde (12) übergeht, mittels eines Einspritzelements (3) gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen (22) sternförmig in einen Brennraum (6) im Zylinder (2) eingespritzt werden, die Einspritzstrahlen (22) an der Strahlteilerkontur (16) jeweils in eine erste Teilmenge (33) von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge (34) von Kraftstoff und in dritte Teilmengen (35) von Kraftstoff aufgeteilt werden, die erste Teilmenge (33) und die zweite Teilmenge (34) eine erste Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront ausbilden und dritte Teilmengen (35) benachbarter Einspritzstrahlen (22) eine dritte Verbrennungsfront (36) ausbilden, wobei bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum (6) das Einspritzelement (3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) für Lkw-Anwendungen von mehr als 1000 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder und für Pkw-Anwendungen von mehr als 1900 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder von Kraftstoff durchströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und eine solche Verbrennungskraftmaschine sind bereits der DE 10 2011 110 215 A1 und der DE 10 2006 020 642 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist eine Kraftstoffdirekteinspritzung und eine Selbstzündung auf und ist somit als direkteinspritzende, selbstzündende Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen Zylinder auf, dessen Brennraum seitlich von einer Zylinderwand, axial einerseits von einem Zylinderkopf und axial andererseits von einem im Zylinder translatorisch bewegbar aufgenommenen Kolben begrenzt ist. Die Zylinderwand definiert beispielsweise eine Längsmittelachse des Zylinders. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine ein dem Zylinder zugeordnetes Einspritzelement, welches auch als Injektor oder Einspritzdüse bezeichnet wird. Dabei ist es denkbar, dass das Einspritzelement koaxial zum Brennraum beziehungsweise zumindest im Wesentlichen koaxial zur Längsmittelachse angeordnet ist. Insbesondere ist es denkbar, dass das Einspritzelement zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Zylinderkopf angeordnet ist.
Der Kolben weist eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig umlaufenden Kolbenkrone axial vertieft im Kolben angeordnete Kolbenstufe auf, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur in eine zur Kolbenstufe axial vertieft im Kolben angeordnete Kolbenmulde übergeht. Das Einspritzelement ist so konzipiert, dass es für einen Verbrennungsvorgang gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen sternförmig in den Brennraum einspritzen kann. Im Rahmen des Verfahrens werden somit für einen Verbrennungsvorgang in einem Selbstzündbetrieb der Verbrennungskraftmaschine mittels des Einspritzelements gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen sternförmig in den Brennraum eingespritzt, wobei der jeweilige Einspritzstrahl beispielsweise zumindest im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet sein kann. Das Verfahren ist ein Verbrennungsverfahren oder Brennverfahren, in dessen Rahmen die jeweiligen Einspritzstrahlen an der Strahlteilerkontur jeweils in eine erste Teilmenge von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge von Kraftstoff und in jeweilige dritte Teilmengen von Kraftstoff aufgeteilt werden. Mit anderen Worten umfasst der jeweilige Einspritzstrahl Kraftstoff, welcher mittels des Einspritzstrahls direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Die Teilmengen werden daher auch als Kraftstoffteilmengen bezeichnet.
Die erste Teilmenge tritt zumindest im Wesentlichen in die Kolbenmulde ein. Die zweite Teilmenge tritt über die Kolbenstufe zumindest im Wesentlichen in einen Bereich zwischen der Kolbenkrone und dem Zylinderkopf ein. Die dritten Teilmengen breiten sich ausgehend vom jeweiligen Einspritzstrahl beidseitig in Umfangsrichtung des Kolbens in entgegengesetzte Richtungen entlang der Kolbenstufe aus und prallen innerhalb der Kolbenstufe aufeinander. Ferner werden die dritten Teilmengen radial nach innen umgelenkt. Ausbildung und Führung der dritten Teilmengen werden durch das Auftreffen der Einspritzstrahlen auf die Strahlteilerkontur in die Kolbenstufe hervorgerufen. Die erste Teilmenge und die zweite Teilmenge bilden eine erste Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront aus. Infolge der sich von der Kolbenstufe entfernenden dritten Teilmengen wird eine dritte Verbrennungsfront gebildet, die sich im Wesentlichen radial in eine Lücke ausbreitet, die in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Einspritzstrahlen ausgebildet ist. Ein derartiges Verbrennungsverfahren kann auch als „3-Fronten-Brennverfahren” oder als TFC (Triple Front Combustion) bezeichnet werden, da sich im Brennraum jeweils für jeden Einspritzstrahl räumlich im Wesentlichen drei Verbrennungs- beziehungsweise Flammenfronten ausbreiten.
Da die Verbrennungsfronten den zur Verfügung stehenden Raum im Brennraum effektiv nutzen, wird durch das Verbrennungsverfahren das im Brennraum zur Verfügung stehende Frischgas beziehungsweise Frischgas-Abgas-Gemisch zu einem hohen Grad ausgenutzt, was insbesondere die Rußbildung des Verbrennungsvorganges erheblich reduziert. Des Weiteren wird durch die gegenüber den beiden ersten Verbrennungsfronten zeitverzögert brennende dritte Verbrennungsfront die Brennraumtemperatur abgesenkt, sodass die Stickoxidbildung (NO_x-Bildung) nicht ansteigt.
Zur Ausbildung der dritten Verbrennungsfront treffen die dritten Teilmengen benachbarter Einspritzstrahlen in der Kolbenstufe mit einem großen Impuls aufeinander. Der Impuls der dritten Teilmengen wird aus dem Produkt der Masse der dritten Teilmengen und deren Geschwindigkeit gebildet. Ist der Impuls der dritten Teilmengen ausreichend groß, werden die dritten Teilmengen bei ihrem Aufeinandertreffen in den Brennraum umgelenkt. Dabei können die jeweiligen zusammen umgelenkten dritten Teilmengen eine dritte Verbrennungsfront ausbilden, die im Wesentlichen in Richtung der Längsmittelachse zwischen den jeweiligen Einspritzstrahlen gerichtet ist. Vorteilhafter Weise wird mittels der dritten Verbrennungsfront eine hohe Turbulenz im Brennraum erzeugt, sodass die Verträglichkeit für in den Brennraum rückgeführtes Abgas steigt, wodurch mittels des erhöhten AGR-Anteils in dem Brennraum die NO_x-Emission weiter reduziert werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Verbrennungsmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum der vorzugsweise flüssige Kraftstoff das Einspritzelement mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) von mehr als 1000 cm³ (Kubikzentimetern) pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und von mehr als 1900 cm³ pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen durchströmt. Die Erfindung basiert auf einem 3-Fronten-Brennverfahren, in dessen Rahmen die drei Verbrennungsfronten entstehen. Die von Einspritzöffnungen des beispielsweise auch als Injektor oder Einspritzdüse bezeichneten Einspritzelements ausgehenden Einspritzstrahlen treffen auf die Strahlteilerkontur beziehungsweise auf die Kolbenstufe auf und werden so umgelenkt, dass sich die Verbrennungsfronten, welche auch als Flammenfronten bezeichnet werden, ausbreiten, wobei sich die dritte Verbrennungsfront radial nach innen in eine Lücke zwischen den Einspritzstrahlen ausbildet und dort vorhandene Verbrennungsluft für die Verbrennung nutzt. Dadurch können Rußemissionen besonders gering gehalten werden. Außerdem kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass der Wirkungsgrad einer eine Kraftstoffdirekteinspritzung und Selbstzündung aufweisenden, das heißt als direkteinspritzende und selbstzündende Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine durch Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und durch Verkürzung der Brenndauer verbessert werden kann. Bei Steigerung des Verdichtungsverhältnisses wird der zur Verfügung stehen Brennraum jedoch immer kleiner, so dass weniger Raum für die Flamme zur Verfügung steht und die Strahlen bzw. Flammenfronten die Brennraumwand (Zylinderkopf, Zylinderwand und Kolben) schneller erreichen und dort wegen der niedrigeren Temperatur zu Rußbildung führen, wodurch die Rußemissionen ansteigen. Die Brenndauer kann durch Erhöhung des hydraulischen Durchfluss des Einspritzelements verkürzt werden. Durch Erhöhung des hydraulischen Durchfluss des Einspritzelements wird eine Erhöhung der Einspritzmenge pro Zeiteinheit bewirkt. Eine solche größere Einspritzmenge an Kraftstoff pro Zeiteinheit konnte mit den bisher bekannten Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine ab einem bestimmten Wert nicht mehr vollständig verbrannt werden und führte zu erhöhten Rußemissionen. Eine Erhöhung des hydraulischen Durchflusses kann durch größere Einspritzöffnungen beziehungsweise durch größere Einspritzöffnungsquerschnitte des Einspritzelements erreicht werden. Bislang ist man davon ausgegangen, dass ein hydraulischer Durchfluss bis maximal 1000 cm³ pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und maximal 1900 cm³ pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen nicht zu einer erhöhten Rußbildung führt. Mit dem 3-Fronten-Brennverfahren ist es nun jedoch möglich bei Verbrennungskraftmaschinen für Lkw-Anwendungen, die bisherige, bei 1000 cm³ pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder und bei Verbrennungskraftmaschinen für Pkw-Anwendungen die bisherige, bei 1900 cm³ pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder liegende Grenze des hydraulischen Durchflusses jeweils zu einem höheren Wert zu verschieben, ohne dass es zu einer erhöhten Rußbildung kommt. Durch die durch das 3-Fronten-Brennverfahren realisierbare verbesserte Ausnutzung der in dem Brennraum vorhandenen Verbrennungsluft kann ein besonders hoher hydraulischer Durchfluss des Einspritzelements realisiert werden. Ferner kann dadurch ein besonders Wirkungsgrad günstiger Betrieb realisiert werden. Insbesondere wurde gefunden, dass der Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen um etwa 1,3% aus der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und um etwa 0,6% aus der Brenndauerverkürzung gesteigert werden kann, ohne dass es zu einer unerwünschten Erhöhung der -Rußemissionen bei konstanten NOx-Emissionen kommt.
Hierbei wird zwischen Verbrennungskraftmaschinen für Lkw-Anwendungen und Pkw-Anwendungen unterschieden. Die hydraulischen Durchflüsse für Einspritzelemente für Verbrennungskraftmaschinen für Lkw-Anwendungen und Pkw-Anwendungen unterscheiden sich prinzipiell erheblich. Besonderen Einfluss auf einen anwendbaren maximalen hydraulischen Durchfluss eines Einspritzelements hat die Zertifizierungs- und Abgasgesetzgebung für die jeweiligen Kraftfahrzeugtypen. In der Regel werden Kraftfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 2,80 t und einer Nutzlast von mehr als 800 kg als ein Lkw betrachtet. Pkw weisen in der Regel ein zulässiges Gesamtgewicht von max. 2,8 t auf. Eine Verbrennung für Verbrennungsmotoren für Lkw-Anwendungen wird unter anderem dahingehend entwickelt, dass die Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine eine Schwärzungszahl (SZ) von maximal 0,8 erreicht. Dagegen wird eine Verbrennung für Verbrennungsmotoren für Pkw-Anwendungen unter anderem dahingehend entwickelt, dass die Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine die Schwärzungszahl (SZ) einen Wert von maximal 3,0 erreicht. Die Schwärzungszahl SZ ist ein Maß für die Rußemissionen einer Verbrennungskraftmaschine, die direkt mit dem hydraulischen Durchfluss von Einspritzelementen zusammenhängt. Diese stark unterschiedlichen Schwärzungszahlen sind durch die unterschiedlichen Zertifizierungs- und Abgasvorschriften bedingt, wobei kundenspezifische Anforderungen wie z. B. eine geforderte spezifische Leistung und ein Anfahrmoment eine große Rolle spielen. Beispielsweise kann eine spezifische Leistung für Lkw-Anwendungen 35 KW pro Liter Hubraum betragen, während eine spezifische Leistung für Pkw-Anwendungen bis zu 100 KW pro Liter Hubraum betragen kann. Dabei ist klar, dass höhere spezifische Leistungen mit einer höheren eingespritzten Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit erzielt werden kann, so dass insbesondere der hydraulische Durchfluss eines Einspritzelements entsprechend angepasst wird, wodurch bei höheren hydraulischen Durchflüssen (HD) die Schwärzungszahl (SZ) bzw. die Rußemissionen ansteigen. In der Regel wird der hydraulische Durchfluss (HD) normiert angegeben auf ein Kraftstoffvolumen (cm³) pro Zeiteinheit (60 Sekunden) bei einem konstanten Einspritzdruck (100 bar) in einem Zylinder mit einem Liter Hubraum.
Es ist klar, dass auch Kraftfahrzeuge bis beispielsweise zu einem zulässigen Gesamtgewicht von 3,5 t, insbesondere Transporter, mit einer Verbrennungskraftmaschine ausgerüstet sein können, die ursprünglich für eine Pkw-Anwendung vorgesehen waren. Dabei kann es sein, dass die Implementierung einer Verbrennungskraftmaschine für ursprünglich eine Pkw-Anwendungen in eine Lkw-Anwendung ohne besondere Änderungen der Verbrennung erfolgt, so dass eine Schwärzungszahl (SZ) dieser Fahrzeuge in Bereich der Pkw-Anwendungen liegt, wodurch Kraftfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von beispielsweise bis zu 3,5 t und einer Verbrennungskraftmaschine aus einer ursprünglichen Pkw-Anwendung einer Pkw-Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung zuzuordnen ist.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem dem Brennraum zugeordneten Verdichtungsverhältnis von mindestens 20, insbesondere von mindestens 20,5, betrieben wird. Da im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die im Brennraum enthaltene Verbrennungsluft besonders gut ausgenutzt werden kann, kann das Verdichtungsverhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen um ca. zwei Einheiten auf ca. 20,3, insbesondere auf 20,5, erhöht werden, wobei gleichzeitig ein besonders hoher hydraulischer Durchfluss des Einspritzelements realisiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen bei gleichen Ruß und -NOx-Emissionen deutlich gesteigert werden.
Insbesondere können durch das 3-Fronten-Brennverfahren und eine optimierte Drallströmung, eine gute Luftausnutzung und eine gute Durchmischung von rückgeführtem Abgas, Luft und Kraftstoff im Brennraum realisiert werden, wobei der thermische Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine durch Steigerung des Verdichtungsverhältnis ohne nennenswerten Anstieg der Rußemissionen weiter optimiert werden kann. Durch Verwendung des Einspritzelements mit dem hohen hydraulischen Durchfluss kann die Brenndauer im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen deutlich verkürzt werden. Dadurch nähert sich das Brennverfahren beziehungsweise ein im Brennraum ablaufender Verbrennungsprozess dem idealen Gleichraumprozess an, wodurch der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann. In der Folge können der Kraftstoffverbrauch und somit die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass beim Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum der Kraftstoff das Einspritzelement mit einem hydraulischen Durchfluss von mehr als 1000 cm³ pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und mehr als 1900 cm³ pro 60 Sekunden bei 100 bar Einspritzdruck und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen durchströmt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug;
2 eine schematische Draufsicht eines Kolbens der Verbrennungskraftmaschine;
3a–c jeweils ausschnittsweise eine schematische Halblängsschnittansicht des Kolbens bei unterschiedlichen Zuständen eines als 3-Fronten-Brennverfahren ausgebildeten Verbrennungsverfahrens der Verbrennungskraftmaschine;
4a-c jeweils ausschnittsweise eine schematische Draufsicht des Kolbens bei den unterschiedlichen Zuständen des Verbrennungsverfahrens;
5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Einspritzelements zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, in welchem das Verbrennungsverfahren durchgeführt wird;
6 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine, wobei im Rahmen des Verfahrens das genannte 3-Fronten-Brennverfahren durchgeführt wird;
7 ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine;
8 ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine; und
9 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Entsprechend 1 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 1, die insbesondere auch als Brennkraftmaschine bezeichnet wird und in einem Kraftfahrzeug, und zwar sowohl in einem Nutzfahrzeug als auch in einem Personenkraftwagen, zur Anwendung kommen kann, zumindest einen Zylinder 2 und eine Einspritzdüse 3 eines nicht näher dargestellten Injektors je Zylinder 2. Die Einspritzdüse 3 wird auch als Einspritzelement oder Injektor bezeichnet. Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist in 1 nur im Bereich eines derartigen Zylinders 2 dargestellt. Grundsätzlich kann die Verbrennungskraftmaschine 1 auch mehr als einen Zylinder 2 aufweisen. Der jeweilige Zylinder 2 ist in einem Kurbelgehäuse 4 ausgebildet, an dem in üblicher Weise ein Zylinderkopf 5 angeordnet ist.
Im jeweiligen Zylinder 2 ist ein Brennraum 6 seitlich von einer Zylinderwand 7 und axial einerseits vom Zylinderkopf 5 und axial andererseits von einem Kolben 8 begrenzt, der im Zylinder 2 hubverstellbar beziehungsweise translatorisch bewegbar angeordnet oder aufgenommen ist. Die zylindrische Zylinderwand 7 definiert eine Längsmittelachse 9 des Zylinders 2. Die Einspritzdüse 3 ist im Beispiel koaxial zum Brennraum 6 im Zylinderkopf 5 angeordnet.
Entsprechend den 1 und 2 ist der Kolben 8 als Stufenkolben ausgestaltet. Ein derartiger Stufenkolben 8 weist eine bezüglich der Längsmittelachse 9 ringförmig umlaufende Kolbenstufe 10, eine bezüglich der Längsmittelachse 9 ringförmig umlaufende Kolbenkrone 11 sowie eine bezüglich der Längsmittelachse 9 koaxial angeordnete Kolbenmulde 12 auf. Die Kolbenstufe 10 ist dabei gegenüber der Kolbenkrone 11 axial vertieft im Kolben 8 ausgebildet oder angeordnet. Die Kolbenmulde 12 ist gegenüber der Kolbenstufe 10 axial vertieft im Kolben 8 ausgebildet oder angeordnet. Der Querschnitt der Kolbenstufe 10 ist winklig ausgeführt und weist axial eine umlaufende Stufenwand 13 auf, die über eine konkav gekrümmte Übergangswand 14 in einen radial ebenen Stufenboden 15 übergeht. Die Stufenwand 13 geht in die ebene Kolbenkrone 11 über. An den Stufenboden 15 schließt sich ein abgerundeter Kantenbereich, im Folgenden Strahlteilerkontur 16 bezeichnet, an, die in die tiefer liegende Kolbenmulde 12 übergeht. Sowohl die Stufenwand 13, die Übergangswand 14, der Stufenboden 15 als auch die Strahlteilerkontur 16 sind bezüglich der Längsmittelachse 9 ringförmig, insbesondere kreisförmig, umlaufend ausgestaltet.
Der Kolben 8 weist außerdem einen Kolbenkegel 17 auf, der koaxial und konzentrisch innerhalb der Kolbenmulde 12 angeformt ist. Der Kolbenkegel 17 besitzt einen Kegelwinkel 18 und verjüngt sich in Richtung zum Zylinderkopf 5 hin. Eine Kegelspitze 19 ist gegenüber der Kolbenkrone 11 vertieft im Kolben 8 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Kolbenkrone 11 in einer senkrecht zur Längsmittelachse 9 verlaufenden Ebene. Auch die Kolbenstufe 10 erstreckt sich entlang ihres wesentlichen Bereichs in einer Ebene, die senkrecht auf der Längsmittelachse 9 steht.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 steht die Strahlteilerkontur 16 radial nach innen zeigend über eine radial äußere Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 etwas hervor. Somit weist die Kolbenmulde 12 einen Hinterschnitt 21 gegenüber der Strahlteilerkontur 16 auf.
Die Strahlteilerkontur 16 ist in Form eines abgerundeten, ringförmig umlaufenden Vorsprungs zwischen den Stufenboden 15 und der Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 ausgebildet. Ist kein Hinterschnitt 21 vorgesehen, so kann die Strahlteilkontur 16 auch als abgerundete, ringförmig umlaufende, im Wesentlichen einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisenden, Kante zwischen Stufenboden 15 und Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 ausgebildet sein.
Wie 1 zeigt, ist die Einspritzdüse 3 so konzipiert, dass sie gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen 22 erzeugen kann, die sich sternförmig bzgl. der Längsmittelachse 9 von der Einspritzdüse 3 im Wesentlichen radial in den Brennraum 6 hinein ausbreiten. Wesentlich ist, dass sich die Einspritzstrahlen 22 in zunehmender radialer Entfernung koaxial zur Längsmittelachse 9 ausbreiten. Der jeweilige Einspritzstrahl 22 tritt entlang einer geneigten Längsmittelachse 23 auf, welche eine Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Einspritzstrahls 22 definiert. Die Gesamtheit der Einspritzstrahlen 22 besitzt eine Kegelkontur, die einen Strahlkegelwinkel 24 aufweist. Die einzelnen Einspritzstrahlen 22 breiten sich im Brennraum 6 jeweils keulenförmig aus. Eine entsprechende Keulenkontur ist in 1 mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Für die nachfolgende Betrachtung werden die einzelnen Einspritzstrahlen 22 sowie die daraus resultierenden weiteren Strahlen bzw. Teilmengen vereinfacht als Pfeile dargestellt. Es ist klar, dass der Einspritzstrahl 22 und die aus dem Einspritzstrahl 22 abtrennenden, einzelnen Teilmengen jeweils eine sich ausbreitende Kraftstoffdampfwolke beziehungsweise eine Wolke aus Verbrennungsluft und Kraftstoff repräsentieren, die zumindest an ihrer Außenseite bereits mit dem Sauerstoff des Brennraums 6 reagieren kann und so eine Flammenfront beziehungsweise ein brennendes Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Es ist außerdem klar, dass der Einspritzstrahl 22 im Wesentlichen entlang seiner Längsmittelachse 23 Kraftstoff zunächst in weitgehend flüssiger Form mit sich führt und nur an seinen Rändern mit der Verbrennungsluft im Brennraum 6 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet, wobei der flüssige Kraftstoff im Laufe des Verbrennungsvorgangs weiter verdampft und sich mit der Verbrennungsluft mischt.
Nachfolgend wird insbesondere mit Bezug auf 3 und 4 ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine beschrieben, wobei im Rahmen des Verfahrens ein Verbrennungsverfahren, das mit Selbstzündung, insbesondere mit Dieselkraftstoff oder Ähnlichen arbeitet, durchgeführt wird. Das Verbrennungsverfahren wird auch als Brennverfahren bezeichnet. Zur Vorbereitung des Verbrennungsvorgangs erfolgt im jeweiligen Zylinder 2 in herkömmlicher Weise ein Ladungswechsel, so dass im jeweiligen Brennraum 6 anschließend eine Ladung aus Frischluft oder eine Ladung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas vorliegt. Die Ladung aus Frischluft beziehungsweise aus Frischluft und rückgeführtem Abgas im Brennraum 6 ist außerdem mit einem Drall 26 beaufschlagt, der in 4a bis 4c durch einen Blockpfeil angedeutet ist. Der Drall 26 beziehungsweise die Drallströmung entspricht somit einer Rotation der Ladung um die Längsmittelachse 9, also einer Strömung in Umfangsrichtung. Im Weiteren werden alle Strömungen beziehungsweise die wesentlichen Richtungsvektoren der einzelnen Strömungen der Ladung im Brennraum 6 mit Blockpfeilen symbolisiert. Im Weiteren werden der eingespritzte Kraftstoff, also der Einspritzstrahl 22 und die daraus sich abtrennenden Teilmengen, durch einfache Pfeile symbolisiert. Die Pfeile symbolisieren die wesentlichen Richtungsvektoren.
Wie in 1 gezeigt, nähert sich der Kolben 8 im Kompressionshub maximal an den Zylinderkopf 5 an, wodurch axial zwischen der Kolbenkrone 11 und einem der Kolbenkrone 11 axial gegenüberliegenden Ringbereich 27 des Zylinderkopfs 5 ein Quetschspalt 28 entsteht, der eine radial gemessene Quetschspaltlänge 29 und eine axial gemessene Quetschspalthöhe 30 aufweist. Die Quetschspaltlänge 29 entspricht dabei im Wesentlichen dem Radialabstand zwischen der Zylinderwand 7 und der Stufenwand 13. Die Quetschspalthöhe 30 entspricht dabei den Axialabstand zwischen dem Ringbereich 27 und der Kolbenkrone 11 im oberen Totpunkt des Kolbens 8.
Im Bereich des oberen Totpunkts erzeugt der Kolben 8 in seiner Bewegung zum Zylinderkopf 5 hin eine an sich bekannte Quetschspaltströmung 31, die in den 3a bis 3c durch einen Blockpfeil angedeutet ist. Die Quetschspaltströmung 31 ist im Wesentlichen radial in Richtung der Längsachse 9 hin ausgerichtet. Es ist klar, dass bei einem sich nach vom Zylinderkopf 5 wegbewegenden Kolben 8 keine Quetschspaltströmung 31 entstehen kann. Allerdings ist auf Grund der Massenträgheit der Ladung im Brennraum 6 beziehungsweise des Anteils der Ladung im Brennraum 6, die von der Quetschspaltströmung 31 beaufschlagt wird, bei abwärts strebenden Kolben 8 die im Kompressionshub gebildete Quetschspaltströmung 31 weiter vorhanden und ist zumindest bis zum Ende der Einspritzung wirksam.
Entsprechend den 3a und 4a erzeugt die Einspritzdüse 3 für einen Verbrennungsvorgang im Selbstzündbetrieb gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen 22, die sich sternförmig in den Brennraum 6 hinein ausbreiten. Die Einspritzstrahlen 22 sind dabei hinsichtlich des Strahlkegelwinkels 24 auf die Stellung des Kolbens 8 im Einspritzzeitpunkt abgestimmt, derart dass die Einspritzstrahlen 22 außermittig, nämlich zum Hinterschnitt 21 bzw. zur Außenwand 20 der Kolbenmulde 12 hin versetzt, nicht direkt auf die Strahlteilerkontur 16 auftreffen, so dass sie im Bereich zwischen Außenwand 20 und Strahlteilkontur 16 liegen. In 1 wird dies durch die Längsmittelachse 23 der Einspritzstrahlen 22 bei Beginn des Auftreffens der Einspritzstrahlen 22 auf die Strahlteilerkontur 16 deutlich gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt liegen die Drallströmung 26, die Quetschspaltströmung 31 und eine Strahlströmung 32 im Brennraum 6 vor. Die Strahlströmung 32 ist eine Strömung der Ladung, die durch ein Mitreißen der die Einspritzstrahlen 22 umgebenden Verbrennungsluft entsteht. Die Strahlströmung 32 ist durch einen Blockpfeil zwischen dem Einspritzstrahl 22 und dem Zylinderkopf 5 symbolisiert und weist einen deutlichen Richtungsvektor auf, der im Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 verläuft. Der Drall 26 weist einen deutlichen Richtungsvektor auf, der tangential zur Längsmittelachse 9 beziehungsweise zu Kolben 8 gerichtet ist, symbolisiert durch seinen Blockpfeil. Die Quetschspaltströmung 31 weist einen deutlichen Richtungsvektor auf, der quer zur Richtung der Längsmittelachse 9 verläuft, symbolisiert durch seinen Blockpfeil.
Gemäß 3b und 4b wird der auf die Strahlteilerkontur 16 auftreffende Einspritzstrahl 22 im weiteren Verlauf der Einspritzung in eine erste Teilmenge 33, eine zweite Teilmenge 34 und dritte Teilmengen 35 aufgeteilt. Dabei hat sich der Kolben 8 weiter vom Zylinderkopf 5 beziehungsweise der Einspritzdüse 3 entfernt, so dass der Einspritzstrahl 22 bei seinem Auftreffen auf die Strahlteilerkontur 16 nunmehr in Richtung Mitte der Strahlteilerkontur 16 bzw. zum Stufenboden 15 hin wandert. Die erste Teilmenge 33 tritt dabei in die Kolbenmulde 12 ein. Die zweite Teilmenge 34 strömt über die Kolbenstufe 10 auf die Kolbenkrone 11 hinauf in Richtung der Zylinderwand 7 und des Zylinderkopf 5 beziehungsweise den Ringbereich 27 des Zylinderkopfes 5. Die dritten Teilmengen 35 strömen in der Kolbenstufe 10 ausgehend von der Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 zueinander entgegengesetzt in der Kolbenstufe 10 entlang. Die dritten Teilmengen 35 strömen bei Auftreffen auf die Stufenwand 13 aufgeteilt aus dem Einspritzstrahl 22 nach links und nach rechts ab. In 3b bis 3c sind die wesentlichen Richtungsvektoren der dritten Teilmengen 35 durch grolle Punkte dargestellt und der Wesentliche Richtungsvektor des Dralls 26 durch einen Kreis mit einem Punkt in der Mitte. In 4b und 4c sind dabei die ersten Teilmengen 33 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die erste Teilmenge 33 bildet eine erste wesentliche Flammenfront im Brennraum 6. Die zweite Teilmenge 34 bildet eine zweite wesentliche Flammenfront im Brennraum 6. Dabei hat sich der vom Einspritzstrahl 22 abgetrennte Kraftstoff im Wesentlichen mit der Verbrennungsluft im Brennraum 6 vermischt und entzündet.
Gemäß 4c können nun im weiteren Verbrennungsablauf zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Einspritzstrahlen 22 innerhalb der Kolbenstufe 10 eine dritte Teilmenge 35 des einen Einspritzspritzstrahls 22 und eine dritte Teilmenge 35 des benachbarten Einspritzstrahls 22 in der Umfangsrichtung aufeinanderprallen und sich zu einer dritten Verbrennungsfront 36 vereinen, der sich radial von der Stufenwand 13 der Kolbenstufe 10 weg, radial nach innen in eine Lücke 37 ausbreitet, die sich in der Umfangsrichtung zwischen je zwei benachbarten Einspritzstrahlen 22 ausbildet. Die sich vereinigenden dritten Teilmengen 35 zweier benachbarter Einspritzstrahlen 22 bilden die dritte wesentliche Flammenfront im Brennraum 6 aus.
Somit liegen im Brennraum 6 insgesamt drei wesentliche, sich räumlich ausbreitende Flammenfronten vor, so dass das Verbrennungsverfahren folgerichtig als 3-Fronten-Brennverfahren bezeichnet werden kann.
Zur stabilen Ausbildung der dritten Verbrennungsfront 36 ist es wichtig, dass die dritten Teilmengen 35 genügend Kraftstoffmasse und eine hohe Geschwindigkeit für einen ausreichend hohen Impuls aufweisen. Dies wird durch ein erfindungsgemäßes Nachlenken des Einspritzstrahls 22 von dem sich zum Zylinderkopf 5 wegbewegenden Kolbens 8 unterstützt. Durch das Nachlenken kann der durch den Einspritzstrahl 22 in den Brennraum 6 eingebrachte Kraftstoff weiterhin so auf die Strahlteilkontur 16 auftreffen, dass der Kraftstoff optimal für die Ausbildung der drei Teilmengen 33, 34, 35 aufgeteilt werden kann. Aus den jeweiligen wesentlichen Richtungsvektoren des Dralls 26, der Quetschspaltströmung 31 und der Strahlströmung 32 ergibt sich erfindungsgemäß eine resultierende Strömung 38. Die resultierende Strömung 38 weist zumindest einen wesentlichen Richtungsvektor bzw. eine wesentliche Strömungskomponente auf, die sich im Bereich zwischen Einspritzstrahlen 22 und dem Zylinderkopf 5 ausbildet, in 3b und 3c symbolisiert durch einen Blockpfeil 38. Die resultierende Strömung (Blockpfeil 38) trifft gemäß 3b und 3c stromauf beziehungsweise strahlauf der Strahlteilerkontur 16 nun genau auf den jeweiligen Einspritzstrahl 22 und lenkt diesen in Richtung zum Kolben 8 bin ab. Hierdurch kann der Einspritzstrahl 22 hinsichtlich seines Auftreffens auf die Strahlteilerkontur 16 gewissermaßen durch die resultierende Strömung 38 nachgelenkt der Bewegung des Kolbens 8 folgen, der sich bereits in seinem Expansionshub befindet und sich dementsprechend immer weiter vom Zylinderkopf 5 entfernt. Die hier realisierte strömungsdynamische Nachführung beziehungsweise Ablenkung der Einspritzstrahlen 22 in Richtung Kolben 8 erfolgt dabei zeitlich nach dem ersten Auftreffen der Einspritzstrahlen 22 auf die Strahlteilerkontur 16 immer zur richtigen Zeit.
Zur Verdeutlichung der verschiedenen Strömungen 26, 31 und 32 und der daraus entstehenden resultierenden Strömung 38 beziehungsweise dem in 3b und 3c dargestellten wesentlichen Richtungsvektor sind in 3b alle Strömungen 26, 31, 32 und 38 in der Darstellung der Blockpfeile gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber ist in 3c nur die erfindungswesentliche resultierende Strömung 38 eingezeichnet und in 4c keine Strömung eingezeichnet. Die resultierende Strömung 38 bewirkt, dass die Einspritzstrahlen 22 dem sich vom Zylinderkopf 5 bzw. der Einspritzdüse 3 entfernenden Kolben 8 nachgelenkt wird, indem der Einspritzstrahl 22 mittels der resultierenden Strömung 38 strahlauf der Strahlteilerkontur 16 in Richtung Kolben 8 abgelenkt beziehungsweise gekrümmt wird. In 3b und 3c ist jeweils die kontinuierliche Krümmung des Einspritzstrahls 22 der Übersichtlichkeit halber durch einen Strahlknick 39 symbolisiert.
Hervorzuheben ist, dass das 3-Fronten-Brennverfahren ein Verbrennungsablauf gewährleistet, bei dem drei Verbrennungsfronten kontinuierlich mit Kraftstoff beziehungsweise einem Gemisch aus Kraftstoff und der Ladung im Brennraum 6 bis zum Ende der Einspritzung hin versorgt werden können. Dabei bilden sich die erste Verbrennungsfront und zweite Verbrennungsfront zuerst aus, gefolgt von der dritten Verbrennungsfront 36. In der zeitlichen Abfolge dieser kontinuierlichen Prozesse überstreicht der Einspritzstrahl 22 die Strahlteilerkontur 16 bis schließlich der Einspritzstrahl 22 mehr oder weniger genau auf die Strahlteilerkontur 16 in Richtung des Stufenbodens 15 beziehungsweise auf den Stufenboden 15 auftrifft. Im Verlauf dieses Prozesses bildet sich die resultierende Strömung 38 aus, welche die Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 weiter in den Bereich der Strahlteilerkontur 16 zwingt, so dass der Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 nicht die Stufenwand 13 überstreichen kann oder sogar auf die Kolbenkrone 11 treffen kann, wodurch die zweite Teilmenge beziehungsweise Verbrennungsfront 34 relativ klein bleibt und die Zylinderwand 7 nicht wesentlich berührt und eine ausreichend große Kraftstoffmenge den dritten Teilmengen 35 zur Verfügung steht.
Das in 3a bis 3c und 4a bis 4c verdeutlichte Auftreffen des Einspritzstrahls 22 auf den Kolben 8 und die Aufteilung eines Einspritzstrahls 22 in seine drei Teilmengen 33, 34, 35 gilt für große Einspritzmengen mit entsprechend langen Einspritzdauern, selbstverständlich in Abhängigkeit von Einspritzdruck und Einspritzbeginn. Ist die Einspritzmenge kleiner als beispielsweise in einem Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, ist in der Regel auch die Dauer der Einspritzung entsprechend kürzer. Dabei kann es vorkommen, dass der Einspritzstrahl 22 nur teilweise die Strahlteilerkontur 16 überstreicht, wie in 3b gezeigt, bevor die Einspritzung beendet ist. Dabei wirkt die erfindungsgemäße resultierende Strömung 38 auch auf einen solchen Einspritzstrahl 22, obwohl dieser am Ende seiner Einspritzdauer nicht auf der Strahlteilerkontur 16 zur Kolbenstufe 10 versetzt hin auftrifft. Die Entstehung der dritten Verbrennungsfront 36 kann, wie in 4c gezeigt, trotzdem erfolgen, da der Einspritzstrahl 22 eine Keulenkontur 25 aufweist, d. h. eine keulenförmige Gemischwolke mit einer Keulenkontur 25 die Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 umgibt und diese Gemischwolke an der Strahlteilerkontur 16 in die erste Teilmenge 33, die in die Kolbenmulde 12 strömt, und in die zweite Teilmenge 34 und die dritten Teilmengen 35, die in Richtung der Kolbenstufe 10 strömen, aufgeteilt wird.
Die Kolbenmulde 12 unterhalb der Strahlteilerkontur 16 weist einen Hinterschnitt 21 im Bereich der Außenwand 20 auf. Durch den im Wesentlichen radial ausgeformten Hinterschnitt 21 werden die in die Kolbenmulde 12 eintretenden ersten Teilmengen 33 der jeweiligen Einspritzstrahlen 22 im Bereich des Hinterschnitts 21 umgelenkt, so dass die ersten Teilmengen 33 den Hinterschnitt 21 quer zur Richtung der Längsmittelachse 9 verlassen. Dies führt mindestens zu einer im Wesentlichen zum Kolbenkegel 17 parallelen Ausbreitung der ersten Teilmengen 33. Dabei kann es auch zu einem leichten Ablösen der ersten Teilmenge 33 vom Kolbenkegel 17 kommen, da im Brennraum 6 eine Längsströmung 40 mit einem deutlichen Richtungsvektor der im Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse 9 in Richtung Zylinderkopf 5 gerichtet ist, aufkommen kann, und die ersten Teilmengen 33 in Richtung Zylinderkopf 5 ablenkt. Die Längsströmung 40 ist in 3b und 3c mit einem Blockpfeil gekennzeichnet. In 3b und 3c ist dieses Ablösen der ersten Verbrennungsfront mit einem vom Kolbenkegel 17 entfernenden Pfeil symbolisiert. Vorteilhafterweise kann damit ein Kontakt der ersten Teilmengen 33 mit dem Kolbenkegel 17 deutlich vermindert werden, so dass den ersten Teilmengen 33 durch einen Kontakt mit dem Kolben 8 im Bereich des Kolbenkegels 17 keine Wärme entzogen werden kann und eine verbesserte Durchmischung mit der im Brennraum 6 befindlichen Ladung erfolgen kann, was den Wirkungsgrad der Verbrennung erneut insgesamt verbessert.
Zur Realisierung des hier vorgestellten 3-Fronten-Brennverfahrens mit zeitlich zur Position des Kolbens 8 vorgesehenen, passenden Ablenkung des jeweiligen Einspritzstrahls 22 hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die jeweilige Einspritzdüse 3, sieben bis zwölf, vorzugsweise zehn bis zwölf, insbesondere zehn Einspritzlöcher 41 aufweist, von denen eines exemplarisch in 5 dargestellt ist. Dementsprechend kann die jeweilige Einspritzdüse 3 sieben bis zwölf beziehungsweise zehn bis zwölf, vorzugsweise genau zehn Einspritzstrahlen 22 erzeugen.
Die Einspritzlöcher 41 der Einspritzdüse 3 werden auch als Einspritzöffnungen bezeichnet und sind dabei bzgl. der Längsmittelachse 9 so ausgerichtet, dass beispielsweise der Strahlkegelwinkel 24 in einem Winkelbereich von etwa 140° bis etwa 160° liegen kann. Bevorzugt wird jedoch ein Strahlkegelwinkel von 152° ± 1°.
Der Drall 26 bewegt sich zweckmäßig in einem iTheta-Bereich, der sich von etwa 0,3 bis etwa 4,5 und vorzugsweise von etwa 0,8 bis 2,5 erstreckt. Diese Drallzahl iTheta kann in bekannter Weise beispielsweise mit Hilfe der Gleichrichter-Drallmessmethode nach Tippelmann bestimmt werden.
Typische Drallerzeugungsmittel sind dabei die Anordnung und Ausrichtung eines Einlasskanals sowie die Ausgestaltung einer Einlassöffnung. Ebenfalls kann ein Ventilsitz eines Einlassventils zur Drallerzeugung konfiguriert sein. Außerdem ist es bekannt, Drallklappen in Einlasskanälen vorzusehen. Die Möglichkeiten zur Drallerzeugung sind hinlänglich bekannt und werden nicht weiter im Detail diskutiert.
Der Quetschspalt 28 kann zweckmäßigerweise eine Quetschspalthöhe 30 aufweisen, die im Bereich von etwa 0,3% bis etwa 2,5% eines in 2 mit 42 dargestellten Kolbendurchmessers liegen kann. Vorzugsweise liegt die Quetschspalthöhe 30 in einem Bereich von 0,5% bis etwa 1,2% des Kolbendurchmessers 42. Die Quetschspaltlänge 29 liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 6% bis etwa 22% des Kolbendurchmessers 42 und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 9% bis etwa 14% des Kolbendurchmessers 42.
Gemäß 5 besitzt das jeweilige Einspritzloch 41 eine Lochlänge 43 und einen Lochdurchmesser 44. Ein Verhältnis von Lochlänge 43 zu Lochdurchmesser 44, das in einem Bereich von etwa 2,5 bis etwa 10,0 und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 3,0 bis etwa 7,0 liegt, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Im gezeigten Beispiel von 5 ist das jeweilige Einspritzloch 41 konisch ausgestaltet, derart, dass es sich von einer Einlassseite 45 bis zu einer Auslassseite 46 verjüngt. Dementsprechend variiert der Lochdurchmesser 44 entlang der Lochlänge 43. Insbesondere kann der Lochdurchmesser 44 an der Einlassseite 45, ggf. stromab einer Verrundung 47, um etwa 2% bis etwa 25%, vorzugsweise um etwa 5% bis etwa 15%, größer sein als der Lochdurchmesser 44 an der Auslassseite 46. Das in 5 gezeigte Einspritz loch 41 weist an seiner Einlassseite 45 eine Verrundung 47 auf, die bspw. hydraulisch erosiv hergestellt sein kann.
Eine Längsmittelachse 48 des jeweiligen Einspritzlochs 41 definiert die Längsmittelachse 23 des Einspritzstrahls 22 und schließt mit der Längsmittelachse 9 des Zylinders 2 einen Winkel 49 ein, der halb so groß ist wie der Strahlkegelwinkel 24. Das hier vorgestellte selbstzündende Verbrennungsverfahren ist für direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen. Es lässt sich bevorzugt bei Dieselmotoren realisieren. Grundsätzlich ist auch eine Realisierung des hier vorgestellten selbstzündenden Verbrennungsverfahrens bei Benzinmotoren und Gasmotoren denkbar, sofern diese mit Direkteinspritzung arbeiten.
Um nun einen besonders wirkungsgradgünstigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, das heißt einen besonders hohen Wirkungsgrad zu realisieren und dabei gleichzeitig die Stickoxid-(NO_x-) sowie die Rußemissionen besonders gering halten zu können, ist es im Rahmen des Verfahrens und somit im Rahmen des 3-Fronten-Brennverfahren vorgesehen, dass bei einem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum 6 einer Verbrennungskraftmaschine der Kraftstoff das Einspritzelement (Einspritzdüse 3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) von mehr als 1000 cm³ (Kubikzentimeter) pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und einem hydraulischen Durchfluss (HD) von mehr als 1900 cm³ (Kubikzentimeter) pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen durchströmt. Mit anderen Worten beträgt der hydraulische Durchfluss des Kraftstoffes durch das Einspritzelement bezogen auf einen Einspritzdruck von 100 bar mehr als 1000 cm³ bzw. 1900 m³ pro 60 Sekunden normiert auf einen Liter Hubraum für einen Zylinder. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Brennraum 6 ein Verdichtungsverhältnis von mindestens 20, insbesondere von mindestens 20,5, für Lkw-Anwendungen aufweist, wobei beispielsweise das Verdichtungsverhältnis, welches auch mit ε bezeichnet wird, beispielsweise 20,3 beträgt. Für Pkw-Anwendungen kann das Verdichtungsverhältnis ebenfalls um etwa 1 bis 2 Einheiten von beispielsweise 15,5 auf 17,5 angehoben werden
6 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 50 das Verdichtungsverhältnis des Brennraums 6 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 51 des in 6 gezeigten Diagramms ist der Wirkungsgrad, insbesondere der thermische Wirkungsgrad η_th der Verbrennungskraftmaschine 1 aufgetragen. Ein in das Diagramm eingetragener Verlauf 52 veranschaulicht den thermischen Wirkungsgrad in Abhängigkeit von dem Verdichtungsverhältnis. Aus 6 ist erkennbar, dass durch Erhöhen des Verdichtungsverhältnisses der Wirkungsgrad beziehungsweise thermische Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen ist eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses des Brennraums 6 möglich, da das Drei-Fronten-Brennverfahren auf Grund seiner guten Durchmischung von Frischluft, rückgeführtem Abgas (AGR) und Kraftstoff auch mit hohen Verdichtungsverhältnissen niedrige Rußemissionen liefert. Durch Nutzung des 3-Fronten-Brennverfahrens kann der hydraulische Durchfluss des Einspritzelements deutlich höher als 1000 cm³ pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und deutlich höher als 1900 cm³ pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen liegen, ohne dass es zu einer übermäßigen Erhöhung von Stickoxid- und Rußemissionen kommt.
7 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 53 die im Brennraum 6 herrschende Temperatur aufgetragen ist. Auf der Ordinate 54 des in 7 gezeigten Diagramms sind die im Abgas enthaltenen Stickoxide aufgetragen. Aus 7 ist anhand eines Verlaufs 63 erkennbar, dass zwar mit steigender Temperatur die Stickoxid-Emissionen zunehmen. Ein übermäßiger Anstieg der Stickoxid-Emissionen im Brennraum 6 kann jedoch durch Nutzung des 3-Fronten-Brennverfahrens in Kombination mit dem hohen Verdichtungsverhältnis und dem hohen hydraulischen Durchfluss vermieden werden, was aus 8 erkennbar ist. 8 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 55 die Zeit aufgetragen ist. Auf der Ordinate 56 des in 8 gezeigten Diagramms sind die Stickoxide aufgetragen. Aus 8 ist anhand eines Verlaufs 58 insbesondere erkennbar, dass die Stickoxide gering gehalten werden können, wenn der in den Innenraum 6 eingespritzte Kraftstoff besonders schnell umgesetzt, das heißt verbrannt werden kann. Durch den Nutzen des 3-Fronten-Brennverfahrens und Einsatz eines Einspritzelements mit hohem hydraulischen Durchfluss kann der in den Brennraum 6 eingespritzte Kraftstoff besonders schnell das heißt in besonders kurzer Zeit umgesetzt werden, sodass trotz des hohen Verdichtungsverhältnisses übermäßig hohe Stickoxid- und Rußemission vermieden werden können. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, ohne dass es zu übermäßig hohen Stickoxid- und Rußemissionen kommt.
9 zeigt ein weiteres Diagramm, auf dessen Abszisse 57 der Kurbelwinkel aufgetragen ist. In 9 veranschaulicht ein Verlauf 59 den Zylinderdruckverlauf einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine, wobei ein Verlauf 60 den Zylinderdruckverlauf in dem Brennraum 6 der Verbrennungskraftmaschine 1 veranschaulicht. Ferner veranschaulicht ein Verlauf 61 den Brennverlauf und somit die zuvor beschriebene Umsetzung des Kraftstoffes bei einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine, wobei ein Verlauf 62 den Brennverlauf der Verbrennungskraftmaschine 1 und somit die Umsetzung des in den Brennraum 6 eingespritzten Kraftstoffes veranschaulicht. Aus 9 ist erkennbar, dass durch den hohen hydraulischen Durchfluss des Einspritzelements die Brenndauer im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen deutlich verkürzt werden kann, sodass eine Annäherung des Verbrennungsverfahrens einen wirkungsgradoptimalen Gleichraumprozess erfolgt, in welchem der eingespritzte Kraftstoff möglichst schnell verbrennt. Aufgrund der geringen Brenndauer existiert nur wenig Zeit zur Bildung von Stickoxiden im Brennraum 6 bzw. wird die relativ langsame Bildung von NOx abgebrochen, da die Verbrennung schneller beendet ist Durch das beschriebene Verfahren kann das Vorurteil überwunden werden, dass Einspritzelement lediglich bis zu einem bestimmten hydraulischen Durchfluss für Lkw- bzw. Pkw-Anwendungen zum Einsatz kommen können. Durch das beschriebene Verfahren können Einspritzdüsen mit höheren hydraulischen Durchflüssen (HD) als bisher angenommen zum Einsatz kommen, welche die Brenndauer verkürzen und zu einem schnelleren Brennverlauf führen. Die bisherige Erkenntnis dass der hydraulische Durchfluss wegen zu hoher Rußemission bei Verbrennungskraftmaschinen bei maximal 1000 cm³ pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Lkw-Anwendungen und bei maximal 1900 cm³ pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder für Pkw-Anwendungen begrenzt sein muss wird durch das Drei-Fronten Brennverfahren widerlegt. Des Weiteren kann für Lkw-Anwendungen ein besonders hohes Verdichtungsverhältnis von mindestens 20,3 und vorzugsweise mindestens 20,5, realisiert werden und für Pkw-Anwendungen ein Verdichtungsverhältnis um etwa 1 bis 2 Einheiten angehoben werden. Dadurch kann ein besonders hoher thermischer Wirkungsgrad dargestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011110215 A1 [0002]
DE 102006020642 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Selbstzündung, bei welchem: – die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest einen Zylinder (2) aufweist, dessen Brennraum (6) seitlich von einer Zylinderwand (7), axial einerseits von einem Zylinderkopf (5) und axial andererseits von einem im Zylinder (2) translatorisch bewegbar aufgenommenen Kolben (8) begrenzt ist, – der Kolben (8) eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig umlaufenden Kolbenkrone (11) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenstufe (10) aufweist, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur (16) in eine zur Kolbenstufe (10) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenmulde (12) übergeht, – dem Zylinder (2) ein Einspritzelement (3) zugeordnet ist, – für einen Verbrennungsvorgang in einem Selbstzündbetrieb mittels des Einspritzelements (3) gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen (22) sternförmig in den Brennraum (6) eingespritzt werden, – die Einspritzstrahlen (22) an der Strahlteilerkontur (16) jeweils in eine erste Teilmenge (33) von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge (34) von Kraftstoff und in dritte Teilmengen (35) von Kraftstoff aufgeteilt werden, – die erste Teilmenge (33) in die Kolbenmulde (12) eintritt, die zweite Teilmenge (34) über die Kolbenstufe (10) in einen Bereich zwischen der Kolbenkrone (11) und dem Zylinderkopf (5) eintritt und die dritten Teilmengen (35) sich ausgehend vom jeweiligen Einspritzstrahl (22) beidseitig in Umfangsrichtung in entgegengesetzte Richtungen entlang der Kolbenstufe (10) ausbreiten und zwischen zwei benachbarten Einspritzstrahlen (22) innerhalb der Kolbenstufe (10) aufeinander prallen und radial nach innen umgelenkt werden, – die erste Teilmenge (33) und die zweite Teilmenge (34) eine erste Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront ausbilden und die jeweils gemeinsam nach innen umgelenkten dritten Teilmengen (35) eine dritte Verbrennungsfront (36) radial nach innen in eine Lücke (37) zwischen den Einspritzstrahlen (22) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum (6) das Einspritzelement (3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) für Lkw-Anwendungen von mehr als 1000 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder und für Pkw-Anwendungen von mehr als 1900 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder von Kraftstoff durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) in einem Transporter bis zu einem zulässigen Gesamtgewicht von 3,5 t, die ursprünglich für eine Pkw-Anwendungen vorgesehen war, der Pkw-Anwendung zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) für Lkw-Anwendungen mit einem dem Brennraum (6) zugeordneten Verdichtungsverhältnis von mindestens 20, insbesondere von mindestens 20,5, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) für Pkw-Anwendungen mit einem dem Brennraum (6) zugeordneten Verdichtungsverhältnis um 1 bis 2 Einheiten erhöht betrieben wird.
Verbrennungskraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei: – die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest einen Zylinder (2) aufweist, dessen Brennraum (6) seitlich von einer Zylinderwand (7), axial einerseits von einem Zylinderkopf (5) und axial andererseits von einem im Zylinder (2) translatorisch bewegbar aufgenommenen Kolben (8) begrenzt ist, – der Kolben (8) eine ringförmig umlaufende, gegenüber einer ringförmig umlaufenden Kolbenkrone (11) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenstufe (10) aufweist, die über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur (16) in eine zur Kolbenstufe (10) axial vertieft im Kolben (8) angeordnete Kolbenmulde (12) übergeht, – dem Zylinder (2) ein Einspritzelement (3) zugeordnet ist, – für einen Verbrennungsvorgang in einem Selbstzündbetrieb mittels des Einspritzelements (3) gleichzeitig mehrere Einspritzstrahlen (22) sternförmig in den Brennraum (6) eingespritzt werden, – die Einspritzstrahlen (22) an der Strahlteilerkontur (16) jeweils in eine erste Teilmenge (33) von Kraftstoff, in eine zweite Teilmenge (34) von Kraftstoff und in dritte Teilmengen (35) von Kraftstoff aufgeteilt werden, – die erste Teilmenge (33) in die Kolbenmulde (12) eintritt, die zweite Teilmenge (34) über die Kolbenstufe (10) in einen Bereich zwischen der Kolbenkrone (11) und Zylinderkopf (5) eintritt und die dritten Teilmengen (35) sich ausgehend vom jeweiligen Einspritzstrahl (22) beidseitig in der Umfangsrichtung in entgegengesetzten Richtungen entlang der Kolbenstufe (10) t und zwischen zwei benachbarten Einspritzstrahlen (22) innerhalb der Kolbenstufe (10) die jeweiligen dritten Teilmengen (35) aufeinander prallen und radial nach innen umgelenkt werden, – die erste Teilmenge (33) und die zweite Teilmenge (34) eine erste Verbrennungsfront und eine zweite Verbrennungsfront ausbilden und die jeweils gemeinsam nach innen umgelenkten dritten Teilmengen (35) eine dritte Verbrennungsfront (36) radial nach innen in einer Lücke (37) zwischen den Einspritzstrahlen (22) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum (6) der Kraftstoff das Einspritzelement (3) mit einem hydraulischen Durchfluss (HD) für Lkw-Anwendungen von mehr als 1000 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder und für Pkw-Anwendungen von mehr als 1900 Kubikzentimetern pro 60 Sekunden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und Liter Hubraum pro Zylinder durchströmt.