DE19953932C2 - Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Betrieb einer HubkolbenbrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkol
benbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei modernen, schnell laufenden Hubkolbenbrennkraftmaschinen,
die mit Dieselkraftstoff und Selbstzündung arbeiten, wird der
Kraftstoff unmittelbar in einen Arbeitsraum eingespritzt, der
in der Regel eine Kolbenmulde einschließt. Der eingespritzte
Kraftstoff bildet ein mehr oder weniger homogenes Gemisch aus
Dieselkraftstoff und Luft, wobei die Last der Hubkolbenbrenn
kraftmaschine geregelt wird, indem die eingespritzte Kraft
stoffmenge variiert wird. Das Kraftstoff-Luftgemisch zündet,
wenn im Arbeitsraum ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist und
die Verdichtungstemperatur im Arbeitsraum die Selbstzündungs
temperatur des Kraftstoff-Luftgemisches erreicht oder über
schreitet.
Zur vollständigen Verbrennung wird eine gute Verteilung des
Kraftstoffs mit der Luftladung angestrebt. Wird der Kraftstoff
homogen auf die Luftladung des Arbeitsraums verteilt, so daß
ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch entsteht, besteht im unte
ren Lastbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine, wenn eine ge
ringe Kraftstoffmenge auf eine große Luftladung im Arbeitsraum
trifft, die Gefahr, daß das Verhältnis von Kraftstoff zur Luft
an keiner Stelle des Arbeitsraums die Voraussetzung für eine
Zündfähigkeit erreicht. Andererseits besteht im Vollastbereich
der Hubkolbenbrennkraftmaschine, wenn eine große Menge Kraftstoff
gleichmäßig auf die Luftladung im Arbeitsraum verteilt
wird, die Gefahr, daß an vielen Stellen des Arbeitsraums die
Zündbedingungen erreicht werden und daher der Kraftstoff mit
einem schnellen, großen Druckanstieg und zahlreichen Druckspit
zen verbrennt, was eine klopfende Verbrennung zur Folge hat.
Es ist bekannt, den Kraftstoff heterogen auf die Luftladung zu
verteilen, um eine harmonisch ablaufende Verbrennung zu erzie
len. Dabei entstehen im Arbeitsraum Zonen mit überfetteten
Kraftstoff-Luftgemischen, die sich durch die Luftbewegung im
Arbeitsraum zu zündfähigen Gemischen entwickeln, so daß eine
gleichmäßige Verbrennung stattfindet.
Es ist bekannt, SAE-Paper 980505, 1998, Hashizume, T.,
Miyamato, T., Akagawa, H., Tsujimura, K.: Combustion and Emis
sion Characteristics of Multiple Stage Diesel Combustion, die
Verbrennung in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine durch eine
Zweiphaseneinspritzung des Kraftstoffs zu verbessern. Dabei
sind zwei Einspritzdüsen seitlich, diametral zueinander im
Brennraum angeordnet, durch die zur homogenen Gemischbildung
ein Teil des Kraftstoffs in einer ersten Phase, etwa 150-70°
vor dem oberen Totpunkt, eingespritzt wird. In einer zweiten
Phase wird der Kraftstoff durch eine zentral angeordnete, kon
ventionelle Sechs- oder Achtlochdüse oder durch eine sogenannte
"Mikrodüse" mit relativ feinen Düsenlöchern zur heterogenen Ge
mischbildung in einer zweiten Phase um den oberen Totpunkt ein
gespritzt.
Eine Kraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff für die seitlichen
Einspritzdüsen mit einem ersten maximalen Druck in einen ersten
Druckspeicher, während ein Hochdruckerzeuger in einen zweiten
Druckspeicher Kraftstoff mit einem zweiten maximalen Druck för
dert, der mehr als doppelt so hoch ist wie der erste maximale
Druck. Entsprechend ist der maximale Einspritzdruck der zentralen
Einspritzdüse mehr als doppelt so hoch wie der maximale Einspritzdruck der seitlichen
Einspritzdüsen. Wegen der großen freien Strahlweglänge und des reduzierten Einspritzdrucks
ist trotz der geringen Verdichtung zur Zeit der ersten Einspritzung eine Benetzung der Brenn
raumwände mit Kraftstoff nicht zu befürchten. Ein solches Verfahren erfordert allerdings we
gen der komplexen Anordnung der Einspritzdüsen einen hohen baulichen und steuerungs
technischen Aufwand.
Es ist ferner bekannt, SAE 1999-01-0185, Iwabuchi, Y., Kawai, K., Shoji, T., Takeda, T.: Trail of
New Conzept Diesel Combustion System - Premixed Compression-Ignition Combustion -, die
Eindringtiefe von Einspritzstrahlen dadurch zu reduzieren, daß bei einer konventionellen Ein
spritzdüse jeweils zwei Düsenlöcher so angeordnet sind, daß die Einspritzstrahlen in einem
bestimmten Abstand der Düsenlöcher gezielt aufeinander treffen. Durch die Kollision der bei
den Einspritzstrahlen wird der Impuls der Einzelstrahlen verringert, der Durchmesser der
Kraftstofftropfen im Strahl verkleinert und eine Aufweitung des Strahls erreicht. Dadurch wird
eine Anlagerung des Kraftstoffs an der Zylinderwand vermieden und gleichzeitig ein größeres
Luftvolumen vom Einspritzstrahl erfaßt.
In der DE 43 33 617 ist ein Verfahren zum Betrieb von Ottomotoren offenbart, bei dem eine
Einspritzdüse den Kraftstoff direkt in den Arbeitsraum einspritzt. Dabei findet die Verbren
nung im Zylinder auf zwei Arten statt. Im Leerlauf oder im Niedrig- oder Mittellastbetrieb er
folgt eine Schichtverbrennung, wobei im Hochlastbetrieb eine homogene Verbrennung statt
findet. Um während des Verbrennungsart-Umschaltbetriebs eine Verschlechterung des
Verbrennungs-Wirkungsgrads zu minimieren, werden die Einspritzzeitpunkte für die verschie
denen Zylinder berechnet und derart modifiziert, dass eine Koinzidenz des Einspritzzeitpunkts
eines Zylinders mit dem Einspritzzeitpunkt eines anderen Zylinders ohne eine Verschlechte
rung des Verbrennungs-Wirkungsgrads verhindert wird.
Aus der DE 195 16 245 ist eine Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung bei Commom-Rail-
Systemen bekannt, bei der durch ein analog öffnendes Ventilglied eines Rücklaufventils die
Bildung eines variablen Rücklaufdrosselquerschnitt ermöglicht wird, so dass die Einspritzdüse
an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Dadurch werden Kleinstmengen für
eine Voreinspritzung sowie eine rasch darauffolgende getaktete Haupteinspritzung ermög
licht.
Schließlich ist in der EP 886050 A2 eine selbstgezündete Brennkraftmaschine offenbart, bei
der mittels einer Verschleppung der Verbrennung eine Reduzierung der NOx und Rußpartikel
versucht wird. Dies wird durch eine grundsätzliche Teilung der gesamten Kraftstoffmenge in
einer früheren und einer späteren Einspritzung erreicht. Dabei wird mit dem ersten Teil ein
vorhomogenisiertes Gemisch vorbereitet, wobei alleine durch die zuerst eingespritzte Menge
keine Selbstzündung stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, über den Betriebsbereich einer Hubkolbenbrenn
kraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung die Gemischbildung mit einem geringen
Bauaufwand zu verbessern und eine ungewollte Anlagerung des Kraftstoffs während einer
Phase zur homogenen Gemischbildung zu vermeiden. Sie wird gemäß der Erfindung durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einem unteren Teillastbereich der
Kraftstoff zur heterogenen Gemischbildung kurz vor dem oberen Totpunkt mit einem höheren
Druck zentral in die Kolbenmulde eingespritzt. Dadurch wird gewährleistet, daß sich auch bei
den im Verhältnis zur Luftladung geringen Kraftstoffmengen ein zündfähiges Gemisch bildet.
Wegen der hohen Verdichtung in der Phase des oberen Totpunkts ist trotz des höheren Ein
spritzdrucks nicht damit zu rechnen, daß sich Kraftstoff an den Wänden des Arbeitsraums
anlagert, insbesondere, wenn nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine Einspritzdüse mit
relativ kleinen Lochdurchmessern verwendet wird.
Wahlweise kann im unteren Lastbereich auch bei sehr früher Ein
spritzung (180° bis 20° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt)
durch definierte Ladungsschichtung, über gezielte Abstimmung
von Luftbewegung im Zylinder, Einspritzdruck kombiniert mit ge
takteter Einspritzung, ähnlich wie beim direkteinspritzenden
Ottomotor, lokal ein zündfähiges, homogenes Gemisch gebildet
werden, so daß auch in diesem Lastbereich eine homogene Ver
brennung dargestellt werden kann.
In einem anschließenden höheren Teillastbereich wird der Kraft
stoff zu einer homogenen Gemischbildung in einer Phase von 180°
bis 20° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt mit einem geringe
ren Einspritzdruck eingespritzt. Dadurch wird er gleichmäßig
auf die Luftladung des Arbeitsraums verteilt, so daß ein homo
genes Gemisch gebildet wird. Durch die frühe Einspritzung ver
bleibt genügend Zeit zur Homogenisierung und Verdampfung des
eingespritzten Kraftstoffs. Der geringere Einspritzdruck ver
hindert, daß sich trotz der niedrigen Verdichtung zum Zeitpunkt
der Einspritzung Kraftstoff an der Brennraumwand anlagert. Auch
hierbei wirkt sich eine Einspritzdüse mit relativ kleinen Dü
senlöchern positiv aus.
Im oberen Teillastbereich und im Vollastbereich, wenn die ein
zuspritzende Kraftstoffmenge relativ zur Luftladung im Arbeits
raum sehr groß ist, kann der Kraftstoff in mehreren Phasen ein
gespritzt, und zwar in einer ersten Phase von 180° bis 20° Kur
belwinkel vor dem oberen Totpunkt unter einem niedrigen Ein
spritzdruck mit einer weitgehend homogenen Gemischbildung und
in einer weiteren Phase unter einem höheren Einspritzdruck zur
heterogenen Gemischbildung in einer Phase um den oberen Tot
punkt. Dadurch wird bezweckt, daß zum Zeitpunkt, zu dem die
Verdichtungstemperatur die Zündtemperatur erreicht, nur eine
begrenzte Menge an homogenem, zündfähigem Kraftstoff vorliegt,
die einerseits eine vollständige Verbrennung ermöglicht, ande
rerseits aber keine klopfende Verbrennung verursacht. Der spä
ter eingespritzte Kraftstoff verbrennt aufgrund der heterogenen
Gemischbildung ohne örtliche Druckspitzen.
Die unterschiedlichen Einspritzdrücke während der verschiedenen
Einspritzphasen ermöglichen einerseits eine optimale Kraft
stoffaufbereitung im gesamten Betriebskennfeld der Brennkraft
maschine und verhindern andererseits, daß sich ungewollt Kraft
stoff an der Brennraumwand anlagert. Dies ist besonders wich
tig, weil der Kraftstoff nur durch eine zentrale Einspritzdüse
eingespritzt wird und daher die freie Strahlweglänge deutlich
kürzer ist als bei seitlich angeordneten Einspritzdüsen. Da nur
eine zentrale Einspritzdüse je Zylinder verwendet zu werden
braucht, ist der Bauaufwand sehr gering.
Alternativ zur mehrphasigen Einspritzung im oberen Teillastbe
reich und Vollastbereich kann in diesen Lastbereichen auch eine
einphasige Einspritzung angewendet werden. Dabei wird der
Kraftstoff unter einem höheren Einspritzdruck kurz vor dem obe
ren Totpunkt zur heterogenen Gemischbildung eingespritzt.
Zur Generierung der Druckmodulation in einem Arbeitsspiel ste
hen wahlweise folgende Einspritzsysteme zur Verfügung:
- a) 1. Ausgestaltung
Hubkolbenpumpe (z. B. Steckpumpe, Pumpedüse, Reihenein spritzpumpe, Verteilereinspritzpumpe), deren Kolben von einer Nockenwelle mit einem doppelten Nocken angetrieben wird und die Kraftstoff zum elektronisch ansteuerbaren Einspritzventil fördert, wobei zwischen der Einspritzpumpe und der jeweiligen Einspritzdüse ein Absteuerventil ange ordnet ist. - b) 2. Ausgestaltung
CR-System, bei dem zwischen dem Hochdruckspeicher und dem elektronisch ansteuerbaren Einspritzventil ein schnell schaltendes, magnet- oder piezogesteuertes Ventil angeord net ist, mit dessen Hilfe das Druckniveau in der Kraft stoffzuleitung zum Einspritzventil geregelt werden kann. - c) 3. Ausgestaltung
Elektronisch ansteuerbares Einspritzsystem mit hydrauli scher Druckverstärkung (z. B. HEUI B von Caterpillar). Mit Hilfe eines schnell schaltenden, magnet- oder piezogesteu erten Ventils (z. B. 3/2-Wege-Ventils) wird der Öldruck auf einen Verstärkerkolben geschaltet. Durch entsprechendes Doppelbestromen des schnell schaltenden Ventils, kann der Einspritzdruck bei unterschiedlichen Einspritzereignissen variiert werden.
Als Einspritzventile können solche wie bei dem bekannten Com
mon-Rail-Verfahren verwendet werden. Spritzbeginn und Spritzen
de für die einzelnen Einspritzphasen werden durch eine elektro
nische Steuereinrichtung festgelegt. Findet keine mehrphasige
Kraftstoffeinspritzung statt, d. h. es werden entweder nur homo
genes Gemisch durch eine frühe Kraftstoffeinspritzung oder ein
heterogenes Gemisch durch eine späte Kraftstoffeinspritzung ge
bildet, wird das Absteuerventil, das zweckmäßigerweise als mag
net- oder piezogesteuertes Ventil ausgebildet ist, entsprechend
angesteuert. So wird verhindert, daß die Einspritzpumpe bei ei
ner geschlossenen Einspritzdüse in ein geschlossenes System
fördert und der Druck unkontrolliert ansteigt. Zusätzlich kann
noch ein Sicherheitsventil (Druckbegrenzung) angebracht werden.
Eine einfachere Alternative zum magnet- oder piezogesteuertes
Ventil stellt ein Überdruckventil dar, das bei geschlossener
Einspritzdüse ein Überschreiten des maximalen Drucks verhin
dert.
Als Einspritzdüse wird zweckmäßigerweise eine Mehrlochdüse mit
relativ kleinen Lochdurchmessern verwendet, um für die frühe
Einspritzung eine möglichst feine Zersteubung zu erhalten und
um eine zu hohe Eindringtiefe der Strahlen zu verhindern. Da
für die späte Einspritzung ein hoher Einspritzdruck verwendet
wird und außerdem die Einspritzmenge der späten Kraftstoffein
spritzung wegen der mehrphasigen Kraftstoffeinspritzung gerin
ger ausfällt, wird die Spritzdauer für die späte Kraftstoffein
spritzung zur heterogenen Gemischbildung trotz des geringen
Lochdurchmessers auch bei Vollast nicht zu hoch.
Um den Zündzeitpunkt des homogenen Gemisches zu steuern, ist es
ferner zweckmäßig, kurz vor dem oberen Totpunkt Kraftstoff in
Form eines Zündstrahls einzuspritzen. Zum Einspritzzeitpunkt
des Zündstrahls soll bereits der hohe Einspritzdruck anliegen.
Die Selbstzündung von vielen Kraftstoffen erfolgt im allgemei
nen in zwei Stufen. Zunächst erfolgt eine Reaktion unter ge
ringfügiger Temperaturerhöhung, die zum Abbruch der Kettenver
zweigung führt und als "Cool-Flame-Verbrennung" bezeichnet
wird. Anschließend nach gewisser Induktionszeit findet eine
zweite Zündung mit nachfolgender Hochtemperaturoxidation, eine
sogenannte "Hot-Flame-Verbrennung" statt. Verbrennt der gesamte
Arbeitsrauminhalt simultan, wie dies bei der homogenen selbst
gezündeten Verbrennung weitgehend der Fall ist, kann man die
Cool-Flame-Verbrennung und die Hot-Flame-Verbrennung deutlich
im Druckverlauf und im daraus berechneten Heizverlauf erkennen.
Ein homogenisiertes mageres Kraftstoff-Luftgemisch kann durch
eine extrem kleine Zündmenge des gleichen Kraftstoffs erfolg
reich gezündet werden, wenn das hoch homogenisierte Kraftstoff-
Luftgemisch vor der Zündstrahleinspritzung bereits einen akti
vierten Zustand aufweist. Deshalb ist es vorteilhaft, daß der
Zündstrahl zwischen einer Cool-Flame-Verbrennung und einer Hot-
Flame-Verbrennung eingespritzt wird.
Die Cool-Flame-Verbrennung kann durch das geometrische Verdich
tungsverhältnis, das effektive Verdichtungsverhältnis, den
Kraftstoff, die Einlaßtemperatur, den Druck im Saugrohr (Luft
verhältnis), die Luftbewegung (Drall, Tumble) sowie durch Ab
gasrückführung bzw. Abgasrückhaltung und weitere so beeinflußt
werden, daß für den zur homogenen Verbrennung vorgesehenen Be
reich der Last und der Drehzahl ohne Zündstrahleinspritzung nur
Cool-Flame-Verbrennung erfolgt oder die Cool-Flame-Verbrennung
möglichst lange andauert oder sich ein größer Abstand zwischen
Cool-Flame-Verbrennung und Hot-Flame-Verbrennung ergibt. Des
weiteren soll durch die geeignete Wahl der oben genannten Para
meter auch ein zu früher Start der Cool-Flame-Verbrennung ver
hindert werden.
Unter Umständen ist es möglich, bei einer mehrphasigen Kraft
stoffeinspritzung mit einem einheitlichen Einspritzdruck auszu
kommen, der dann zweckmäßigerweise zwischen dem niedrigeren
Einspritzdruck für die frühe Kraftstoffeinspritzung und dem hö
heren Einspritzdruck für die späte Kraftstoffeinspritzung
liegt. Dabei ist der Lochdurchmesser der Einspritzdüse so auf
den Einspritzdruck abzustimmen, daß während der frühen Kraft
stoffeinspritzung der Kraftstoff nicht an der Brennraumwand an
gelagert wird und die Einspritzzeit während der späteren Kraft
stoffeinspritzung nicht zu lang wird. Um die Eindringtiefe der
Eintrittsstrahlen zu verringern und damit die Kraftstoffan
lagerung an der Brennraumwand während der frühen Kraftstoffein
spritzung zu vermeiden, kann die Einspritzung des Kraftstoffs
zur homogenen Gemischbildung in der frühen Phase getaktet er
folgen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe
schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er
findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthal
ten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die
Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinn
vollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Hubkolben
brennkraftmaschine,
Fig. 2 ein schematisches Betriebskennfeld mit einer heteroge
nen Gemischbildung in einem unteren Teillastbereich,
in einem oberen Teillastbereich und im Vollastbereich,
Fig. 3 eine Variante zu Fig. 2 mit einer mehrphasigen Kraft
stoffeinspritzung in einem oberen Teillastbereich und
im Vollastbereich,
Fig. 4 eine Variante zu Fig. 2 mit einer mehrphasigen Kraft
stoffeinspritzung in einem oberen Teillastbereich und
einer heterogenen Gemischbildung im Vollastbereich,
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines Einspritzdrucks p
über einen Kurbelwinkel ϕ,
Fig. 6 eine Variante zu Fig. 5,
Fig. 7 eine Variante zu Fig. 6,
Fig. 8 eine Variante zu Fig. 2 mit einer lokal homogenen Ge
mischbildung (Schichtung) in einem unteren Teillastbe
reich,
Fig. 9 eine Variante zu Fig. 3 mit einer lokal homogenen Ge
mischbildung (Schichtung) in einem unteren Teillastbe
reich und
Fig. 10 eine Variante zu Fig. 4 mit einer lokal homogenen Ge
mischbildung (Schichtung) in einem unteren Teillastbe
reich.
Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 treibt ein Kolben 5,
der in einem Zylinder 9 geführt ist, über eine Pleuelstange 4
auf die Kurbel 3 einer Kurbelwelle 2. Zwischen dem Kolben 5 und
einem Zylinderkopf 10 wird im Zylinder 9 ein Arbeitsraum 8 ge
bildet, der eine in den Kolbenboden 7 eingelassene Kolbenmulde
6 umfaßt.
Bei der Drehung der Kurbel 3 auf einem Kurbelkreis 11 im Uhr
zeigersinn verkleinert sich der Arbeitsraum 8, wobei die in ihm
eingeschlossene Luft verdichtet wird. Der Ladungswechsel im Ar
beitsraum 8 erfolgt über Gaswechselventile und Gaskanäle im Zy
linderkopf 10, die nicht näher dargestellt sind.
Mit dem Erreichen eines oberen Totpunktes 12 der Kurbel 3 ist
das Ende der Verdichtung erreicht, bei dem der Arbeitsraum 8
sein kleinstes Volumen annimmt und der höchste Verdichtungs
druck sowie die höchste Verdichtungstemperatur erreicht werden.
Die aktuelle Lage des Kolbens 5 zum Zylinderkopf 10 wird durch
den Kurbelwinkel ϕ in Bezug auf den oberen Totpunkt 12 be
stimmt.
Eine Einspritzdüse 13 ist zentral zur Grundfläche des Zylinders
9 im Zylinderkopf 10 angeordnet und ragt ein wenig in den Ar
beitsraum 8. Sie kann über eine Signalleitung 15 und einen Ak
tuator 14 von einer elektronischen Steuereinheit 16, der Motor
steuerung, angesteuert werden. Die Einspritzstrahlen sind mit
17 bezeichnet.
Zur Generierung der Druckmodulation in einem Arbeitsspiel ste
hen wahlweise folgende Einspritzsysteme zur Verfügung:
- a) 1. Ausgestaltung
Hubkolbenpumpe (z. B. Steckpumpe, Pumpedüse, Reihenein spritzpumpe, Verteilereinspritzpumpe), deren Kolben von einer Nockenwelle mit einem doppelten Nocken angetrieben wird und die Kraftstoff zum elektronisch ansteuerbaren Einspritzventil fördert, wobei zwischen der Einspritzpumpe und der jeweiligen Einspritzdüse ein Absteuerventil ange ordnet ist. - b) 2. Ausgestaltung
CR-System, bei dem zwischen dem Hochdruckspeicher und dem elektronisch ansteuerbaren Einspritzventil ein schnell schaltendes, magnet- oder piezogesteuertes Ventil angeord net ist, mit dessen Hilfe das Druckniveau in der Kraft stoffzuleitung zum Einspritzventil geregelt werden kann. - c) 3. Ausgestaltung
Elektronisch ansteuerbares Einspritzsystem mit hydrauli scher Druckverstärkung (z. B. HEUI B von Caterpillar). Mit Hilfe eines schnell schaltenden, magnet- oder piezogesteu erten Ventils (z. B. 3/2-Wege-Ventils) wird der Öldruck auf einen Verstärkerkolben geschaltet. Durch entsprechendes Doppelbestromen des schnell schaltenden Ventils, kann der Einspritzdruck bei unterschiedlichen Einspritzereignissen variiert werden.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen schematische Kennfelder mit einem nied
rigen Teillastbereich 21, einem mittleren Teillastbereich 22,
einem oberen Teillastbereich 23 und einem Vollastbereich 24,
wobei die Bereiche fließend ineinander übergehen können. Im
niedrigen Teillastbereich 21 wird der Kraftstoff zur heteroge
nen Gemischbildung in einer Phase 31 in der Nähe des oberen
Totpunkts 12 eingespritzt. Wahlweise kann im unteren Lastbe
reich 21 auch bei sehr früher Einspritzung (180° bis 20° Kurbelwinkel
j vor dem oberen Totpunkt 12) durch definierte La
dungsschichtung, über gezielte Abstimmung von Luftbewegung im
Zylinder, Einspritzdruck kombiniert mit getakteter Einsprit
zung, ähnlich wie beim direkteinspritzenden Ottomotor, lokal
ein zündfähiges, homogenes Gemisch gebildet werden, so daß auch
in diesem Lastbereich eine homogene Verbrennung dargestellt
werden kann (Fig. 8 bis 10). In dem sich anschließenden mittle
ren Teillastbereich 22 wird der Kraftstoff in einer frühen Pha
se 25, etwa 180°-20° Kurbelwinkel ϕ vor dem oberen Totpunkt 12
mit einem niedrigeren Einspritzdruck 28 (Fig. 5) oder einem
mittleren Einspritzdruck 30 (Fig. 6) eingespritzt, wobei der
mittlere Einspritzdruck 30 zwischen dem niedrigen Einspritz
druck 28 und dem höheren Einspritzdruck 29 liegt. Der niedrige
Einspritzdruck 28 sowie der mittlere Einspritzdruck 30 sind so
gewählt und auf die Konfiguration der Einspritzdüse 13 abge
stimmt, daß eine homogene Gemischbildung erfolgt und sich der
eingespritzte Kraftstoff nicht an den Wänden des Arbeitsraums 8
anlagert.
Oberhalb des mittleren Teillastbereich 22, in dem oberen Teil
lastbereich 23, kann der Kraftstoff mehrphasig eingespritzt
werden (Fig. 4) oder in einer Phase 31 bzw. 27 zur heterogenen
Gemischbildung in der Nähe des oberen Totpunkts 12 (Fig. 2).
Wird der Kraftstoff im oberen Teillastbereich 23 in einer Phase
31 bzw. 27 eingespritzt, so wird der Kraftstoff auch in dem
sich anschließenden Vollastbereich 24 in einer Phase 31 bzw. 27
eingespritzt (Fig. 2). Wird dagegen der Kraftstoff in dem obe
ren Teillastbereich 23 mehrphasig eingespritzt, so kann der
Kraftstoff in dem sich anschließenden Vollastbereich 24 entwe
der ebenfalls mehrphasig (Fig. 3) oder in einer Phase 31 bzw.
27 in der Nähe des oberen Totpunkts 12 zu heterogenen Gemisch
bildung (Fig. 4) eingespritzt werden.
Bei der mehrphasigen Kraftstoffeinspritzung im oberen Teillast
bereich 23 und im Vollastbereich 24 wird ein Teil des einzu
spritzenden Kraftstoffs während einer frühen Phase 25 mit einem
niedrigeren Druck 28 (Fig. 5) oder einem mittleren Druck 30
(Fig. 6) oder getaktet (Fig. 7) eingespritzt. Hierbei entsteht
ein weitgehend homogenes Kraftstoffluftgemisch das bis zum obe
ren Totpunkt 12 zum Teil in einem Cool-Flame-Verbrennungspro
zess reagiert. In einer zweiten Phase 31 bzw. 27 in der Nähe
des oberen Totpunkts 12 wird der Rest Kraftstoff mit einem hö
heren Einspritzdruck 29 (Fig. 5) oder einem mittleren Ein
spritzdruck 30 (Fig. 6) eingespritzt. Bei der Ausführung nach
Fig. 7 kann der Einspritzdruck in den Phasen 31 bzw. 27 gleich
dem in der Phase 25 sein oder darüber liegen.
Die Einspritzung im Bereich des oberen Totpunkts 12 dient einer
heterogenen Gemischbildung und verhindert eine klopfende Ver
brennung in dem oberen Teillastbereich 23 und im Vollastbereich
24. Um den Zündzeitpunkt des homogenen Gemisches zusteuern, ist
es zweckmäßig, kurz vor dem oberen Totpunkt 12 in einer Phase
26 eine Zündstrahlmenge Kraftstoff in den Arbeitsraum einzu
spritzen. Zu diesem Zeitpunkt sollte die Cool-Flame-Verbrennung
des homogenen Gemisches noch andauern, so daß mit dem Zünd
strahl die Hot-Flame-Verbrennung eingeleitet werden kann.
Claims (11)
1. Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei der eine Einspritzdüse
Kraftstoff direkt in einen Arbeitsraum einspritzt, der in einem Zylinder zwischen einem
Zylinderkopf und einem Kolben gebildet ist und eine Kolbenmulde umfasst, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Kraftstoff mit unterschiedlichen Einspritzdrücken in den Arbeitsraum während verschiedener Einspritzphasen in einem Arbeitsspiel eingespritzt wird, wobei
in einem unteren Teillastbereich (21) der Kraftstoff zur heterogenen Gemischbildung kurz vor dem oberen Totpunkt (12) mit einem höheren Einspritzdruck (29) zentral in den Arbeitsraum (8) bzw. in die Kolbenmulde (6), oder wahlweise zur homogenen Gemischbildung in einer Phase von einhundertundachtzig bis zwanzig Grad Kurbelwinkel (ϕ) vor dem oberen Totpunkt (12) eingespritzt wird,
in einem mittleren Teillastbereich (22) der Kraftstoff zur homogenen Gemischbildung in einer Phase (25) von einhundertundachtzig bis zwanzig Grad Kurbelwinkel (ϕ) vor dem oberen Totpunkt (12) mit einem niedrigeren Einspritzdruck (28) eingespritzt wird, und
in einem oberen Teillastbereich (23) und/oder Vollastbereich (24) ein Teil des Kraftstoffs zunächst zur homogenen Gemischbildung in einer Phase (25) von einhundertundachtzig bis zwanzig Grad Kurbelwinkel (ϕ) vor dem oberen Totpunkt (12) mit einem niedrigeren Einspritzdruck (28) und der Rest zur heterogenen Gemischbildung in einer Phase (31, 27) um den oberen Totpunkt (12) mit einem höheren Einspritzdruck (29) in den Arbeitsraum (8) bzw. die Kolbenmulde (6) eingespritzt wird.
der Kraftstoff mit unterschiedlichen Einspritzdrücken in den Arbeitsraum während verschiedener Einspritzphasen in einem Arbeitsspiel eingespritzt wird, wobei
in einem unteren Teillastbereich (21) der Kraftstoff zur heterogenen Gemischbildung kurz vor dem oberen Totpunkt (12) mit einem höheren Einspritzdruck (29) zentral in den Arbeitsraum (8) bzw. in die Kolbenmulde (6), oder wahlweise zur homogenen Gemischbildung in einer Phase von einhundertundachtzig bis zwanzig Grad Kurbelwinkel (ϕ) vor dem oberen Totpunkt (12) eingespritzt wird,
in einem mittleren Teillastbereich (22) der Kraftstoff zur homogenen Gemischbildung in einer Phase (25) von einhundertundachtzig bis zwanzig Grad Kurbelwinkel (ϕ) vor dem oberen Totpunkt (12) mit einem niedrigeren Einspritzdruck (28) eingespritzt wird, und
in einem oberen Teillastbereich (23) und/oder Vollastbereich (24) ein Teil des Kraftstoffs zunächst zur homogenen Gemischbildung in einer Phase (25) von einhundertundachtzig bis zwanzig Grad Kurbelwinkel (ϕ) vor dem oberen Totpunkt (12) mit einem niedrigeren Einspritzdruck (28) und der Rest zur heterogenen Gemischbildung in einer Phase (31, 27) um den oberen Totpunkt (12) mit einem höheren Einspritzdruck (29) in den Arbeitsraum (8) bzw. die Kolbenmulde (6) eingespritzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
gesamte Kraftstoff mit einem gleichen Einspritzdruck (30) ein
gespritzt wird, der zwischen dem niedrigeren (28) und höheren
Einspritzdruck (29) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
frühe Einspritzung des Kraftstoffs zur homogenen Gemischbildung
getaktet erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kraftstoff in einem oberen Teillastbereich (23) oder Vollastbe
reich (24) zur heterogenen Gemischbildung in einer Phase (31,
27) um den oberen Totpunkt (12) vollständig mit einem höheren
Einspritzdruck (29) in die Kolbenmulde (6) eingespritzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest im Teillastbereich (21, 22, 23)
kurz vor dem oberen Totpunkt (12) ein Zündstrahl (26) einge
spritzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zündstrahl (26) zwischen einer Cool-Flame-Verbrennung und einer
Hot-Flame-Verbrennung eingespritzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
geometrische Verdichtungsverhältnis, das effektive Verdich
tungsverhältnis, der Kraftstoff, die Einlaßtemperatur, der
Druck im Saugrohr (Luftverhältnis), die Luftbewegung (Drall,
Tumble), die Abgasrückführung bzw. Abgasrückhaltung so gewählt
und aufeinander abgestimmt sind, daß für den zur homogenen Ver
brennung vorgesehenen Bereich der Last und der Drehzahl ohne
Zündstrahleinspritzung nur Cool-Flame-Verbrennung erfolgt oder
die Cool-Flame-Verbrennung möglichst lange andauert oder sich
ein großer Abstand zwischen Cool-Flame-Verbrennung und Hot-
Flame-Verbrennung ergibt sowie ein zu früher Start der Cool-
Flame-Verbrennung verhindert wird.
8. Einspritzsystem zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung der
Druckmodulation in einem Arbeitsspiel wahlweise folgende Ein
spritzsysteme zur Verfügung stehen:
- a) 1. Ausgestaltung
Hubkolbenpumpe (z. B. Steckpumpe, Pumpedüse, Reihenein spritzpumpe, Verteilereinspritzpumpe), deren Kolben von einer Nockenwelle mit einem doppelten Nocken angetrieben wird und die Kraftstoff zum elektronisch ansteuerbaren Einspritzventil fördert, wobei zwischen der Einspritzpumpe und der jeweiligen Einspritzdüse ein Absteuerventil ange ordnet ist. - b) 2. Ausgestaltung
CR-System, bei dem zwischen dem Hochdruckspeicher und dem elektronisch ansteuerbaren Einspritzventil ein schnell schaltendes, magnet- oder piezogesteuertes Ventil angeord net ist, mit dessen Hilfe das Druckniveau in der Kraft stoffzuleitung zum Einspritzventil geregelt werden kann. - c) 3. Ausgestaltung
Elektronisch ansteuerbares Einspritzsystem mit hydrauli scher Druckverstärkung (z. B. HEUI B von Caterpillar). Mit Hilfe eines schnell schaltenden, magnet- oder piezogesteu erten Ventils (z. B. 3/2-Wege-Ventils) wird der Öldruck auf einen Verstärkerkolben geschaltet. Durch entsprechendes Doppelbestromen des schnell schaltenden Ventils, kann der Einspritzdruck bei unterschiedlichen Einspritzereignissen variiert werden.
9. Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Absteuerventil (20) ein Überdruckventil ist.
10. Einspritzsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Absteuerventil (20) ein elektronisch ansteu
erbares magnet- oder piezogesteuertes Ventil ist.
11. Einspritzsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als
Einspritzdüse (13) eine Mehrlochdüse mit relativ kleinen Loch
durchmessern vorgesehen ist.
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