DE19953932C2

DE19953932C2 - Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19953932C2
Application number: DE19953932A
Authority: DE
Inventors: Rainer Werner Jorach; Gerhard Koenig; Alois Raab; Eckart Scholz; Petra Stapf
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: DE19953932A1; US6505601B1

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.

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

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.

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:

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.