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Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Kolben mit Kolbenmulde und, in Kombination mit der gewählten Einspritzeinrichtung, insbesondere der Düsenstrahllage, ein Verfahren zur Bildung eines verbesserten homogenisierten Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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DE 197 07 873 (A1) offenbart eine Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor mit jeweils einem durch Kolben, Zylinder und Zylinderkopf gebildeten Brennraum, einer Einspritzdüse und einer vom Zylinderkopf in den Brennraum hineinragende Ummantelung, welche die Düse derart umgibt, dass im oberen Totpunkt (OT) zwischen Ummantelung und Kolben eine Vorkammer ausgebildet ist, in der eine Vorverbrennung stattfindet.
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Aus der
DE 27 29 050 A1 ist ein Zylinderkopf für Hubkolben-Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit an diesem vorgesehenen Ein- und Auslasskanälen für in Brennräume der Brennkraftmaschine einzubringende und aus diesem wieder auszutragende, gasförmige Medien bekannt, wobei die Ein- und Auslasskanäle mit in den jeweiligen Brennraum mündenden Öffnungen sowie diese verschließenden Ventilen ausgestattet und die Schäfte dieser Ventile in Führungen im Bereich dieser Kanäle axial geführt sind, und jedem Brennraum mindestens eine am Zylinderkopf angeordnete Einspritzdüse für einen ebenfalls in den Brennraum einzubringenden Kraftstoff zugeordnet ist, sowie der Zylinderkopf selbst dem Abschluss eines zu diesem hin offenen und den Brennraum bildenden Zylinders dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf weder Kühlrippen noch Wasserkerne aufweist und mit mindestens einer Leitung für ein Kühlmittel ausgestattet sowie diese Leitung an mindestens einem von der Brenngaswärme stark beanspruchten Bauteil am Zylinderkopf geführt ist.
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Die
EP 1 045 136 A1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei der eine zu einem Arbeitsraum hin öffnende Einspritzdüse Kraftstoff direkt in den Arbeitsraum einspritzt, der in einem Zylinder zwischen einem Zylinderkopf und einem Kolben gebildet ist und eine Kolbenmulde umfasst, wobei in einem unteren Teillastbereich der Kraftstoff zur heterogenen Gemischbildung kurz vor dem oberen Totpunkt unter einem flachen Winkel zum Kolbenboden zentral in die Kolbenmulde eingespritzt wird, dass in einem anschließenden Teillastbereich der Kraftstoff zu einer homogenen Gemischbildung in einem Bereich wenigstens zum Teil unter einem steileren Winkel zum Kolbenboden eingespritzt wird und dass in einem Vollastbereich ein Teil des Kraftstoffs zunächst zur homogenen Gemischbildung in einem Bereich von 180° bis 20° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt unter einem steileren Winkel zum Kolbenboden und der Rest zur heterogenen Gemischbildung in einem Bereich um den oberen Totpunkt unter einem flacheren Winkel zum Kolbenboden in die Kolbenmulde eingespritzt wird.
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Die
EP 2 003 303 B1 zeigt einen Kolben mit Kolbenboden und im Kolbenboden vorgesehener Kolbenmulde, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welche einen Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi ermöglicht, der – im Betrieb der Brennkraftmaschine – entlang einer Kolbenlängsachse translatorisch bewegbar ist und bei dem die Kolbenmulde – zur Ausbildung einer omegaförmigen Grundform – einen konkaven Bereich aufweist, wobei die der Kolbenlängsachse zugewandte Muldenoberfläche der omegaförmigen Kolbenmulde einen im Wesentlichen zylinderförmigen Teilbereich aufweist, der entlang der Kolbenlängsachse ausgerichtet ist und unter Ausbildung eines konvexen Muldenrandes in den Kolbenboden übergeht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Verwendung eines derartigen Kolbens. Es soll ein Kolben der oben genannten Art bereitgestellt werden, der eine verbesserte Steuerung der kontrollierten Selbstzündung ermöglicht und die Anwendung von LTC-Verfahren hin zu höheren Drehzahlen und höheren Lasten ermöglicht. Erreicht wird dies mit einem Kolben der oben genannten Art, der im wesentlichen zylinderförmigen Teilbereich eine Höhe T2 aufweist mit T2 0.025 d, und der konvexe Muldenrand einen Krümmungsradius r2 aufweist mit r2 0.006 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
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Nachteilig an herkömmlichen dieselmotorischen Verfahren sind zum einen die Rußemissionen infolge der Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches eines direkteinspritzenden Dieselmotors. Durch die Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches, bildet sich in örtlich eng begrenzten Bereichen die Gemischbildung so weit aus, dass lokal Selbstzündungsbedingungen vorliegen, wohingegen in weiten anderen Bereichen das Gemisch noch sehr inhomogen ist. Demzufolge wird die Selbstzündung früher eingeleitet, als es für eine weitere Homogenisierung des Gemisches vorteilhaft wäre. Dabei wird insbesondere in Bereichen des Gemisches mit einem unterstöchiometrischen lokalen Luftverhältnis (Lambda < 1) Ruß gebildet.
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Weiterhin nachteilig beim herkömmlichen direkteinspritzenden dieselmotorischen Verfahren sind die – aufgrund der prozessbedingten hohen Temperaturen – hohen Stickoxidemissionen.
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Eine Möglichkeit, die Stickoxidemissionen zu reduzieren, ist die Verwendung von Abgasnachbehandlungssystemen, wie z. B. SCR-Katalysatoren oder einer Abgasrückführung (AGR), mit deren Hilfe die Verbrennungstemperatur, insbesondere die Prozessspitzentemperatur, abgesenkt werden kann. Mit sinkenden Verbrennungstemperaturen nimmt auch die Bildung von Stickoxiden ab.
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Nachteilig bei diesen Möglichkeiten sind entweder die Kosten und das Pakaging, oder, wie, im Falle einer inneren AGR, das schlechte transiente Verhalten des Motors im instationären Betrieb.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ohne die beschriebenen Nachteile wie beim herkömmlichen Verfahren darzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kolben mit Kolbenmulde mit wenigstens einem Zylinder und einem im Zylinder hin und her beweglichen Kolben, der mit dem Zylinder einen Brennraum begrenzt und eine dem Brennraum zugewandte Kolbenmulde aufweist, mit einem über der Kolbenmulde angeordneten Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Kolbenmulde und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt. Der Motor besitzt einen Kolben mit ω-Mulde. Sie ist flach und weit ausgelegt und besitzt einen ausgeprägten Mittenkegel. Diese Kolbenmulde ist hinsichtlich niedrigster Schadstoffemissionen im Teillastbetrieb sowie bester Luftausnutzung für Volllast optimiert.
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Das Arbeitsverfahren des Dieselmotors beruht auf der Selbstzündung des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt dabei entweder direkt in den Hauptbrennraum als direkte Einspritzung oder in eine Vor- bzw. Wirbelkammer als indirekte Einspritzung. Der Kraftstoff verdampft, vermischt sich mit der verdichteten heißen Zylinderladung und entzündet sich selbst. Die innere Gemischbildung hat ein heterogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Folge. Eine wesentliche charakteristische Eigenschaft des Dieselmotors ist die Qualitätsregelung, d. h. die Lasteinstellung erfolgt bei vorgegebener Luftmasse durch die Änderung des Luftverhältnisses über die eingespritzte Kraftstoffmasse.
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Durch die Kraftstoffeinspritzung im Bereich des oberen Totpunktes und die für die Einbringung des Kraftstoffs zur Verfügung stehende kurze Zeitspanne von nur einigen Millisekunden kommen dem Einspritzsystem und den Einspritzparametern eine entscheidende Bedeutung zu.
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Die nach der Kraftstoffeinspritzung teilweise simultan ablaufenden Vorgänge der Gemischbildung und Verbrennung konventioneller Dieselbrennverfahren lassen sich in die nachfolgend aufgeführten Teilprozesse untergliedern: Zerstäubung, Verdampfung + Vermischung, Vorreaktionen, Zündung, Verbrennung + Schadstoffbildung.
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Der Zündverzug ist definiert als die Zeit zwischen dem Beginn der Einspritzung und der Selbstzündung. Dabei werden Strahlausbreitung, Zerstäubung und Verdampfung als physikalischer Zündverzug bezeichnet, die mit dem Beginn der Verdampfung einsetzenden chemischen Reaktionen werden chemischer Zündverzug genannt.
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Durch den hohen Einspritzdruck treten die Einspritzstrahlen mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse aus und zerfallen infolge aerodynamischer Kräfte, die aus der Relativgeschwindigkeit des Kraftstoffs zur Zylinderladung resultieren, in eine Vielzahl unterschiedlich großer Tröpfchen. Die Güte der Kraftstoffzerstäubung ist abhängig von der Viskosität, der Dichte und der Oberflächenspannung des Kraftstoffes, von der Höhe des Einspritzdruckes, von der Düsengeometrie sowie von der Dichte und den Bewegungsverhältnissen der Brennraumluft. Begünstigt wird die Kraftstoffzerstäubung durch die im Einspritzstrahl vorhandenen Turbulenzen. Wechselwirkungen von Tropfen untereinander führen zu Stoßvorgängen, aus denen ein Zerfall oder eine Vereinigung der Tropfen resultieren kann. Die stärkste Abbremsung der Kraftstofftropfen ergibt sich an der Strahlspitze und im Strahlrandbereich. Nachfolgend eingespritzter Kraftstoff durchstößt die Strahlspitze, was zu ihrer pilzförmigen Ausbildung und zu deutlich ausgeprägten Strukturen im Strahl führt. Die turbulenten Interaktionen der Kraftstofftropfen bei diesem Vorgang sind der Gemischbildung förderlich.
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Die Geometrie des Brennraums trägt ebenfalls einen wesentlichen Anteil zur Optimierung des Brennverfahrens bei. Von besonderer Wichtigkeit zur Ausnutzung des maximalen Potenzials ist die Abstimmung von Einspritzsystem und Brennraumgeometrie aufeinander. Zu optimierende Parameter des Brennraums sind vor allem die Form der Kolbenmulde in Kombination mit dem durch die Einlasskanäle erzeugten Luftdrall und die Minimierung der Schadvolumina im Quetschspalt, im Feuersteg sowie im Zylinderkopf.
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Als Drallströmung wird eine um die Zylinderachse rotierende Einströmung in den Zylinder bezeichnet, deren Ausbildung von der Geometrie des Einlasstraktes abhängt. Aus der während der Einlassphase erzeugten Drallströmung resultiert die im Brennraum herrschende Ladungsbewegung im Bereich des oberen Totpunktes, die entscheidenden Einfluss auf die folgende Gemischbildung und Verbrennung hat. Die Messung der Zylinderkopfströmung des Versuchsträgers erfolgt in einem stationären Strömungsprüfstand.
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Mit der Festlegung des Verdichtungsverhältnisses wird ein wesentlicher Einfluss auf das Motorverhalten bei Teillast und Volllast genommen. Neben dem eigentlichen Brennraum hat auch der Zylinderkopf einen wesentlichen Einfluss auf die Verbrennung. Bei den meisten Pkw-Dieselmotoren hat sich inzwischen die 4-Ventiltechnik mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen je Zylinder durchgesetzt, die üblicherweise durch zwei obenliegende Nockenwellen betätigt werden. Vorteile ergeben sich gegenüber 2-Ventil-Konzepten hinsichtlich eines größeren Öffnungsquerschnittes und somit einer besseren Zylinderfüllung sowie variabel gestaltbarem Drall. Dabei wird einer der beiden Einlasskanäle als Füllkanal mit einem hohen Durchfluss und einer geringen Drallbildung ausgelegt, der zweite Einlasskanal wird als Drallkanal mit einer stärker ausgeprägten Erzeugung rotatorischer Luftbewegung und reduziertem Durchfluss ausgelegt. Diese Konzeption ermöglicht in niedrigen Lastpunkten, in denen der Dieselmotor durch die Qualitätsregelung ohnehin mit einem hohen Luftüberschuss betrieben wird, die Realisierung einer Drallsteuerung durch Abschaltung des Füllkanals. Die Folge ist eine Verbesserung der luftseitigen Gemischbildung mit reduzierender Wirkung auf die Rußbildung und somit verbesserter Abgasrückführverträglichkeit.
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Hierbei ist die Abstimmung von Einspritzsystem und Drallbildung zur Vermeidung von ineinander wehenden Kraftstoffstrahlen wichtig. Einfluss auf die Verbrennung hat weiterhin das Luftsystem des Dieselmotors. Die Auslegung des Abgasturboladers stellt hierbei einen Kompromiss aus dynamischem Ansprechverhalten beim Anfahren oder Beschleunigen aus niedriger Motordrehzahl und Last sowie maximal realisierbarem Ladedruck aufgrund des Erreichens der Stopfgrenze der Turbine im Nennleistungspunkt des Motors dar. Die Einführung der variablen Turbinengeometrie erbrachte hier einen wesentlichen Fortschritt. Zukünftig werden 2-stufige Aufladekonzepte bzw. Registeraufladung weiteres Potenzial bieten, bei denen ein kleiner Hochdruck-Turbolader für ein gutes dynamisches Ansprechverhalten durch steigende Ladedrücke bei niedriger Motordrehzahl und Last sorgt, während ein großer Niederdruck-Turbolader deutlich höhere Ladedrücke im oberen Drehzahlbereich des Motors ermöglicht. Beim späten Einlassventilöffnen läuft der Kolben zu Beginn des Ansaugtaktes bei geschlossenen Einlassventilen abwärts und expandiert die Restgase im Zylinder, wodurch ein Unterdruck im Brennraum entsteht. Zum Zeitpunkt des Einlassventilöffnens strömt dann durch die Druckdifferenz zwischen Saugrohr und Brennraum die Ansaugluft mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit in den Zylinder. Durch diese Strategie kann die gesamte Ladungsbewegung, vor allem aber die Drallströmung im Brennraum vergrößert werden, was die luftseitige Gemischbildung verstärkt. Je nach Betriebspunkt und Luftbedarf des Motors kann mit dieser Strategie die luftseitige Gemischbildung deutlich verbessert und so das Emissionsverhalten positiv beeinflusst werden. Einlassseitig kann ein Kanal zur Erzeugung von Ladungsbewegung als Drallkanal ausgebildet sein, der andere Kanal dient der Optimierung der Zylinderfüllung und ist als Tangentialkanal realisiert.
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Durch die hohe Temperatur im Brennraum kommt es unmittelbar nach der Zerstäubung des Kraftstoffs zu einer Verdampfung zunächst der leicht flüchtigen Bestandteile und später der schwer flüchtigen Komponenten der Kraftstofftropfen. Diffusion und Konvektion führen zur Vermischung von Kraftstoff und Luft, bei der sich ein stark inhomogenes Gemisch ausbildet, dessen düsennaher Bereich und Strahlkern deutlich unterstöchiometrisch sind und einen hohen Anteil noch flüssigen Kraftstoffs aufweisen. Mit zunehmender Entfernung von der Düse und der Strahlachse sowie mit fortschreitender Zeit nach dem Einspritzbeginn wird das Gemisch immer magerer und zunehmend gasförmig. Durch diese Schichtung existieren im Strahlmantel stets Bereiche mit günstigen Mischungsverhältnissen für die Selbstzündung.
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Neben den genannten physikalischen Prozessen der Gemischaufbereitung führen die stark druck- und temperaturabhängigen chemischen Reaktionen über die Erzeugung von Wärme und Bildung von Radikalen schließlich zur Selbstzündung am Ort der hierfür günstigsten Voraussetzungen. Das inhomogene Gemisch im Brennraum des Dieselmotors verfügt stets über Gebiete mit günstigen Zündbedingungen. Hierbei findet die erste Selbstzündung bevorzugt in Bereichen fetteren Gemisches mit Luftverhältnissen zwischen l = 0,6 und l = 0,8 statt. Das im Brennraum herrschende Gesamtluftverhältnis übt kaum Einfluss auf den Zündverzug aus. Bei zunehmend fettem Gemisch kommt es zu trägeren Reaktionen, hauptsächlich bedingt durch die stärkere Gemischabkühlung bei der endothermen Verdampfung der größeren Brennstoffmasse. Neben Druck, Temperatur und Einspritzmenge sind auch die Cetanzahl des Kraftstoffs, der Einspritzdruck, der Düsenlochdurchmesser, der Siedeverlauf des Kraftstoffs und die Brennraumströmung entscheidend für den Zündverzug.
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Ein weiterer wichtiger Parameter, der die chemischen Vorreaktionen beeinflusst, ist die Abgasrückführung. Der zeitliche Verlauf der konventionellen dieselmotorischen Verbrennung wird in mehrere Phasen untergliedert.
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Zunächst entzünden sich die Bereiche eines lokal homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer vorgemischten Verbrennung (Premixed-Verbrennung) mit schneller Flammenausbreitung und im gut aufbereiteten und reaktionsfreudigen Gemisch (1. Phase). Die schnelle Flammenausbreitung der Premixed-Verbrennung führt zu einem steilen Druckgradienten.
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Kennzeichnend für diese Brennphase ist eine ausgeprägte Spitze im Brennverlauf. In der nachfolgenden mischungskontrollierten Diffusionsverbrennung erfolgt der Umsatz weiterer Kraftstoffmengen (2. Phase). Bereiche unvollendeter Vermischung der Reaktionspartner verbrennen durch Mischungsprozesse kontrolliert, indem der Kraftstoff und die Luft diffusionsgesteuert in die Flamme strömen. Dabei vermischt sich der Kraftstoff mit Luft und Verbrennungsgasen unterschiedlichster Zusammensetzungen. Die während der Verbrennung stattfindenden Gemischbildungsvorgänge haben einen entscheidenden Einfluss auf den Verbrennungsverlauf. Abnehmende Gastemperaturen und eine geringe Konzentration der Reaktionspartner bewirken eine nur noch sehr schleppend verlaufende Verbrennung der Restkraftstoffmenge in der Nachverbrennungsphase (3. Phase).
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Bei der dieselmotorischen Verbrennung sind die Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) und Kohlenmonoxid-Emissionen (CO) als Produkte unvollständiger Verbrennung sehr gering im Vergleich zum Ottomotor. Die Reduzierung der Stickoxide und der Partikel erweist sich beim Diesel als deutlich schwieriger. Bei der homogenen oder teilhomogenen Verbrennung von Dieselkraftstoff treten hingegen teilweise deutlich höhere HC- und CO-Emissionen auf.
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Die Kohlenwasserstoffanteile im dieselmotorischen Abgas sind ein Produkt unvollständiger Verbrennung. Die Ursache für die unvollständige Verbrennung können stark abgemagerte Bereiche im Brennraum sein, die nicht von der Flamme erfasst werden und bei niedrigen Temperaturen nicht rechtzeitig oder nur teilweise reagieren. Wird die Verbrennung in die Expansionsphase verlagert, kann die Flamme aufgrund sinkender Brennraumtemperaturen erlöschen und es kommt ebenfalls zu einem Anstieg der HC-Emissionen.
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Weiterhin steigen die Kohlenwasserstoff-Emissionen z. B. durch unkontrolliertes spätes Eindringen von Kraftstoff aufgrund undichter Kraftstoffdüsen oder durch Auftreffen größerer Mengen Kraftstoff auf die Zylinder- oder Muldenwand an.
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Kohlenmonoxid ist vorwiegend auf die nicht vollständige Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe zurückzuführen. Da der Dieselmotor zwar bei der Verbrennung örtlich fette Gemischzonen aufweist, jedoch insgesamt mit mageren Mischungsverhältnissen arbeitet, ist genügend Sauerstoff zur CO-Oxidation vorhanden. Ein Anstieg findet bei der Annäherung an das stöchiometrische Luftverhältnis statt.
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Hinsichtlich der Bildung von Stickoxiden unterscheidet man im Wesentlichen drei Mechanismen, das Thermische NO nach Zeldovich, das Promte NO nach Fenimore und das Brennstoff-NO.
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Thermisches NO nach Zeldovich; bei der Verbrennung unter hohen Temperaturen (> 2200 K) kommt es in lokalen Bereichen mit Sauerstoffüberschuss zu einer Reaktion des sich in der Ansaugluft befindenden und sich nicht streng inert verhaltenden Stickstoffs zu Stickoxiden (NOx). Dieses Stickoxid wird thermisches NO genannt und entsteht nach den Zeldovich-Mechanismen. Insgesamt sind an der Stickoxidbildung mindestens 16 bekannte Reaktionen beteiligt. Alle Gleichungen besitzen jeweils zwei Reaktionspartner auf jeder Seite (bimolekulare Hin- und Rückreaktion). Es sind acht Oxidationsformen bekannt, von denen für die dieselmotorische Verbrennung nur das Stickstoffmonoxid und das Stickstoffdioxid relevant sind. Stickstoffmonoxid wird während der Verbrennungsphase gebildet. Stickstoffdioxid dagegen ist ein Folgeprodukt, das bei niedrigen Temperaturen durch Nachoxidation des Stickstoffmonoxids gebildet wird. Die Hauptparameter zur Beeinflussung der thermischen NO-Bildung sind somit die Temperatur, die Sauerstoffkonzentration am Ort der Verbrennung und damit das lokale Luftverhältnis sowie die Verweildauer bei hoher Temperatur.
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Das prompte NO nach Fenimore bildet sich in der Flammenfront, insbesondere unter brennstoffreichen Bedingungen. Durch die Reaktion von Kohlenwasserstoffradikalen mit Stickstoffmolekülen bilden sich Zyanide, woraus sich in Nebenreaktionen mit Sauerstoffträgern NO bildet. Die Bildung von promptem NO tritt vor allem bei Luftmangel auf, da das Ethin (Acetylen) als Vorläufer des CH-Radikals nur unter brennstoffreichen Bedingungen gebildet wird. Durch die geringe Konzentration von CH-Radikalen spielt diese Art der Stickoxidbildung jedoch eine untergeordnete Rolle.
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Während des Verbrennungsprozesses bilden sich aus dem im Kraftstoff gebundenen Stickstoff durch Zerfall einfache Amine und Zyanide. Diese sekundären Stickstoffverbindungen reagieren mit Sauerstoff weiter zu NO. Da der im Kraftstoff enthaltene Stickstoffanteil sehr gering ist, und auch nur ein Teil davon in NO umgewandelt wird, kann der Anteil des Brennstoff-NO an den Stickoxid-Emissionen ebenfalls vernachlässigt werden.
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Für grundsätzliche Betrachtungen sind die Zeldovich-Gleichungen ausreichend. In der Nähe der Grenztemperatur von 2200 K kommt es zu einer stetigen Verlangsamung der NOx-Bildungsmechanismen, die bei Unterschreitung der Grenztemperatur endgültig zum Erliegen kommen.
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Gesetzlich limitierte Partikel-Emissionen setzen sich aus Ruß und angelagerten Kohlenwasserstoffen, Sulfaten, Aschen und metallischem Abrieb zusammen. Die Bildung erfolgt nach sehr komplexen Mechanismen und ist im Detail noch nicht geklärt. Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen führt zu Rußbildung, wenn Kraftstoff bei lokalem Luftmangel und Temperaturen über 1400 K verbrennt oder Pyrolyseprozesse im Kraftstoff stattfinden. Der Rußbildungsprozess lässt sich in die zum Teil simultan ablaufenden Phasen Teilchenneubildung, Oberflächenwachstum, Koagulation, Agglomeration und Nachoxidation unterteilen.
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Parallel zu den Rußbildungsvorgängen findet in Gebieten hoher Sauerstoffkonzentration eine Oxidation der Rußpartikel statt. Durch diesen Prozess beträgt die Rußemission der dieselmotorischen Verbrennung nur etwa 5% der zwischenzeitlich auftretenden maximalen Rußkonzentration. Die Rußoxidation findet bei Temperaturen > 1300 K statt. Neben dem molekularen Sauerstoff kommen auch anderen Reaktionspartnern, wie dem OH-Radikal bei der Rußoxidation eine wesentliche Bedeutung zu. Die Oxidationsrate nimmt mit steigender Temperatur bzw. steigendem Sauerstoff-Partialdruck zu.
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Die Geometrie des Brennraums trägt ebenfalls einen wesentlichen Anteil zur Optimierung des Brennverfahrens bei. Von besonderer Wichtigkeit zur Ausnutzung des maximalen Potenzials ist die Abstimmung von Einspritzsystem und Brennraumgeometrie aufeinander. Zu optimierende Parameter des Brennraums sind vor allem die Form der Kolbenmulde in Kombination mit dem durch die Einlasskanäle erzeugten Luftdrall und die Minimierung der Schadvolumina im Quetschspalt, im Feuersteg sowie im Zylinderkopf. Mit der Festlegung des Verdichtungsverhältnisses wird ein wesentlicher Einfluss auf das Motorverhalten bei Teillast und Volllast genommen. Der derzeitige Entwicklungstrend zeigt eine Senkung des Verdichtungsverhältnisses für moderne Pkw-Dieselmotoren. Zukünftige Konzepte weisen Verdichtungsverhältnisse von 17:1 und darunter auf. Durch eine Absenkung des Kompressionsenddrucks und der Kompressionsendtemperatur wird die Bildung von Stickoxiden verringert. Eine längere freie Einspritzstrahllänge aufgrund des größeren Muldendurchmessers verbessert die Gemischaufbereitung und verringert somit die Rußbildung. Ebenso verbessert sich im Volllastbetrieb die Luftausnutzung, was zusammen mit einem früheren Einspritzbeginn ohne Erhöhung des maximalen Spitzendrucks zu einer Steigerung der Leistungsabgabe des Dieselmotors führt. Nachteilig wirkt sich die Absenkung des Verdichtungsverhältnisses auf die Bildung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden aus, da durch geringeren Kompressionsenddruck und geringere Kompressionsendtemperatur die Reaktionen einfrieren und die Verbrennung somit unvollständig abläuft. Weitere Nachteile sind die Verschlechterung des Verbrennungswirkungsgrades, teilweise kompensierbar durch eine Anpassung des Einspritzbeginns, sowie die Verschlechterung des Kaltstartverhaltens besonders bei extrem niedrigen Außentemperaturen. Dem Nachteil im Kaltstartverhalten kann durch verbesserte Glühkerzen und Glühstrategien, eine optimierte Einspritzstrategie und eine angepasste Lage der Einspritzstrahlen zur Glühkerze entgegengewirkt werden.
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Die konventionelle Dieselverbrennung läuft nach der vorgemischten Verbrennung der im Zündverzug eingebrachten Kraftstoffmenge als mischungskontrollierte Diffusionsverbrennung mit einem stark heterogenen Kraftstoff-Luft-Verhältnis ab. Dies begünstigt einerseits die Rußbildung in Zonen lokalen Sauerstoffmangels, andererseits läuft die Diffusionsverbrennung am Strahlrand in nahe-stöchiometrischen Bereichen ab, was zu hohen lokalen Temperaturen in der Verbrennungszone führt und die Bildung von thermischem NO nach den Zeldovich-Mechanismen begünstigt. Im Gegensatz dazu liegt beim konventionell betriebenen Ottomotor ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor. Der Ablauf der Verbrennung erfolgt nach Fremdzündung durch eine fortschreitende Flammenfront mit lokal sehr hohen Temperaturen und daraus resultierender hoher NO-Bildung und nahezu ohne Partikelbildung.
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Dem Einspritzsystem kommt bei der dieselmotorischen Verbrennung eine zentrale Bedeutung zu. Die direkte Einbringung des Kraftstoffs in den Brennraum und die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beeinflussen wesentlich den Verbrennungsablauf, dessen Wirkungsgrad sowie die Bildung der Schadstoffemissionen. Neben dem Einspritzdruck stellt die Einspritzdüse eines der wichtigsten Kriterien beim Einspritzsystem dar. Für ein Brennverfahren werden vor allem der Lochdurchmesser, der Höhenwinkel, der Strömungsbeiwert, die Verrundung der Düsenlocheintritte und -austritte sowie die Anzahl der Düsenlöcher an die Brennraumgeometrie und die Luftbewegung im Brennraum optimal angepasst.
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Beim Dieselmotor ist durch den Betrieb mit Luftüberschuss eine Abgasnachbehandlung mittels 3-Wege-Katalysator und l = 1-Regelung wie beim Ottomotor nicht möglich. Aus diesem Grund kommt derzeit nur ein Oxidationskatalysator zur Minimierung von Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen sowie vermehrt ein Partikelfilter zum Einsatz.
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Die Einhaltung derzeitiger und zukünftiger Abgasemissionsstandards hinsichtlich HC und CO ist mit dem konventionellen Dieselbrennverfahren mit Direkteinspritzung in Kombination mit Oxidationskatalysatoren möglich.
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Dagegen stellt die Reduktion der Stickoxid-Emissionen und der Partikel-Emissionen eine weitaus größere Herausforderung dar, weswegen hier der Fokus der Entwicklungsaktivitäten beim Dieselmotor liegt.
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Generell wird zwischen innermotorischen Maßnahmen zur Rohemissionssenkung und dem Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen unterschieden. Im Bereich der Abgasnachbehandlung wird zur Minimierung des Partikelausstoßes der Dieselpartikelfilter weiterentwickelt. Der Einsatz dieser Konzepte beim derzeitigen Stand der Technik ist allerdings mit deutlichen Mehrkosten verbunden. Hierzu zählen ein erhöhter Kraftstoffverbrauch bei Regenerationsvorgängen für Partikelfilter und NOx-Speicherkatalysator, zusätzliche Additive bei einigen Partikelfilter-Technologien, mitzuführende Reduktionsmittel, wie Harnstoff beim SCR und die Herstellungskosten der Komponenten in erster Linie für verwendete Edelmetalle. Weiterhin sind die Regenerationsvorgänge durch eine notwendige Anhebung der Abgastemperatur bei niedriger Motordrehzahl und -last nicht ohne weiteres darstellbar, so dass sich für Fahrzeuge, die ausschließlich im Stadtverkehr betrieben werden, hier weitere Herausforderungen ergeben. Der Schwerpunkt der Entwicklung des dieselmotorischen Brennverfahrens muss aus den genannten Gründen weiterhin auf der innermotorischen Rohemissionssenkung liegen, um Abgasnachbehandlungskonzepte möglichst vermeiden bzw. einfacher gestalten zu können. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einspritzdüse bezüglich der Kolbenlängsachse um etwa 10 bis 25° geneigt ist. Die Zylinderbohrung liegt in einem Bereich von 90 mm bis 115 mm.
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Der mit D1 bezeichnete Muldendurchmesser des Kolbens liegt in einem Bereich von 70 bis 95 mm. Der Kolbenmuldenplateaumittendurchmesser D2 im höchsten Bereich des Kolbenmuldenbodens umfasst einen Bereich von 0 bis 10 mm. Der Kolbenmuldenradius R1 im tiefsten Bereich des Kolbenmuldenbodens liegt in einem Bereich von 5 bis 15 mm. Der Kolbenmuldenradius R2 liegt in einem Bereich von 0 bis 2 mm. Der Kolbenmuldenwinkel alpha1 bewegt sich in einem Bereich von 0 bis 50°. Der Kolbenmuldenwinkel alpha2 liegt in einem Bereich von 131 bis 160°. Der Einspritzdüsenabstrahlwinkel Gamma liegt in einem Bereich von 110 bis 130°. Der Drall nach der Methode Tippelmann liegt in einem Bereich von DTi = 0,3 bis DTi = 0,4.
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Die mit T1 bezeichnete Muldentiefe liegt im Bereich von 5 bis 20 mm. Der mit T2 bezeichnete Abstand des Kolben 1 liegt in einem Bereich von 2 bis 10 mm.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren näher erläutert, es zeigt:
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1 die schematische Darstellung eines Kolbens mit ω-förmiger Kolbenmulde und Einspritzdüse.
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In 1 wird ein Kolben 1 mit ω-förmiger Kolbenmulde 2 dargestellt. Die Einspritzdüse 3 ist bezüglich der Kolbenlängsachse 4 um etwa 20° oder bezüglich des Kolbenbodens 5 um etwa 70° geneigt. Die Zylinderbohrung beträgt in einem Ausführungsbeispiel 98 mm, in einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung 108 mm.
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Der mit D1 bezeichnete Muldendurchmesser des Kolben 1 beträgt im Fall des einen Ausführungsbeispiels 81,2 mm, im Fall der anderen Ausgestaltung 87 mm. Der Kolbenmuldenplateaumittendurchmesser D2 im höchsten Bereich des Kolbenmuldenbodens 6 umfasst im Fall des einen Ausführungsbeispiels 4,7 mm, im Fall der anderen Ausgestaltung 5,7 mm. Der Kolbenmuldenradius R1 im tiefsten Bereich des Kolbenmuldenbodens 6 beträgt in beiden Ausführungsbeispielen 8 mm. Der Kolbenmuldenradius R2 beträgt in beiden Ausführungsbeispielen 0,5 mm. Der Kolbenmuldenwinkel alpha1 beträgt in beiden Ausführungsbeispielen 30°. Der Kolbenmuldenwinkel alpha2 beträgt in beiden Ausführungsbeispielen 148°. Der Einspritzdüsenabstrahlwinkel gamma beträgt in beiden Fällen 123°. In beiden Fällen beträgt der Drall nach der Methode Tippelmann DTi = 0,35.
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Die mit T1 bezeichnete Muldentiefe 1 beträgt im Fall des einen Ausführungsbeispiels 11,9 mm, im Fall der anderen Ausgestaltung 12,75 mm. Der mit T2 bezeichnete Abstand des Kolbens 1 beträgt im Fall des einen Ausführungsbeispiels 4,7 mm, im Fall der anderen Ausgestaltung 5 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19707873 A1 [0002]
- DE 2729050 A1 [0003]
- EP 1045136 A1 [0004]
- EP 2003303 B1 [0005]
