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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Direkteinspritzungs-Dieselmotor
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und insbesondere einen Direkteinspritzungs-Dieselmotor, bei
dem eine Reinigung der Abgase und eine Verbesserung im Kraftstoffverbrauch
durch eine Durchführung
einer homogenen Ladungskompressionszündverbrennung erzielt werden.
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In
den letzten Jahren sind die Anforderungen an Umweltschutzmaßnahmen
bei Verbrennungsmotoren und insbesondere Dieselmotoren immer höher geworden
und man hat verschiedene Mittel vorgesehen, wie etwa Dieselpartikelfilter
(DPF), die Ruß,
beispielsweise schwarzen Rauch, einfangen, oder NOx-Katalysatoren,
die eine Reinigung durch eine Reduzierung des NOx-Gehalts durchführen. Zudem werden
verschiedene Verbrennungssysteme untersucht, um die Nachfrage nach
einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs mit dem Ziel einer im
wesentlichen vollständigen
Vermeidung von schwarzem Rauch oder NOx und zudem einer Verringerung
von CO2 zu erfüllen.
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Allerdings
weisen DPF- oder NOx-Katalysatoren vom ständig regenerierenden Typ, die
jüngst
für Aufmerksamkeit
gesorgt haben, Einschränkungen bezüglich der
Temperatur auf, bei der sie effizient funktionieren. Insbesondere
kommt es bei ihnen beispielsweise deshalb zu Problemen, weil sie
im Bereich einer niedrigen/mittleren Motorlast, bei der die Motorabgase
eine niedrige Temperatur aufweisen, nicht effektiv arbeiten. Zudem
kommt es bei den erwähnten
DPFs oder Katalysatoren dann, wenn als Reduzierungsmittel vom Kraftstoff
stammende Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, gleichzeitig zu
einer Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs.
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Es
ist daher vom technischen Standpunkt aus vorzuziehen, die Verbrennung
selbst zu verbessern.
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Eine
Möglichkeit
hierfür,
die in letzter Zeit für Aufmerksamkeit
gesorgt hat, besteht in einer homogenen Ladungsverbrennung (bzw.
Vormischverbrennung), bei der die Zündung nach einem Vormischen des
Kraftstoffs innerhalb der Verbrennungskammer durch eine Veränderung
der Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung gegenüber der normalen Zeitsteuerung
erfolgt, um so die Zeit vom Beginn der Kraftstoffeinspritzung bis
zur Zündung
zu nutzen. Es ist bekannt, dass sich durch eine solche homogene
Ladungsverbrennung ein geringer NOx-Ausstoß und eine geringe Rauchentwicklung
erzielen lassen.
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Bereits
bekannte Möglichkeiten,
eine homogene Ladungsverbrennung herbeizuführen, umfassen ein relativ
zur Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung, bei der eine normale Diffusionsverbrennung
durchgeführt
wird, (üblicherweise
bei BTDC 10° bis
ATDC 10°),
frühes
Einspritzen von Kraftstoff und die Erzielung einer homogenen Ladungsverbrennung
dadurch, dass die Zündzeitverzögerungsperiode
durch eine Verzögerung
des Einspritzzeitsteuerung verlängert
wird.
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Allerdings
führt eine
Verzögerung
der Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung immer zu einer Zeitsteuerung,
bei der der Verbrennungszeitraum derart vom oberen Totpunkt abweicht,
dass eine Beeinträchtigung
der Wärmeeffizienz
nur schwer vermieden werden kann, so dass eine Verzögerung nicht
wünschenswert
ist, weil sie mit einer Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs
einhergeht. Aus diesem Grund wird eine frühe Kraftstoffeinspritzung als
wünschenswert
angesehen, da sich der Zündzeitpunkt hier
nahe dem oberen Totpunkt einstellen lässt, so dass es hierbei nicht
zu einer Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs kommt.
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Allerdings
treten bei einer homogenen Ladungsverbrennung, bei der Kraftstoff
früher
als üblich eingespritzt
wird (was als homogene Ladungskompressionszündverbrennung bzw. Vormischkompressionszündverbrennung
bezeichnet wird), die folgenden Probleme auf.
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Zunächst kann
eine homogene Ladungskompressionszündverbrennung nicht in allen
Operationsbereichen des Motors durchgeführt werden. Dies liegt daran,
dass höhere
Kraftstoffeinspritzraten bei voller Last dazu führen, dass es zur Zündung kommt,
ehe der Motor nahe dem oberen Totpunkt angelangt ist, was zu einem
heftigen Klopfen führt,
das den Motor beschädigt.
Ein weiterer Grund liegt darin, dass selbst dann, wenn die Zündung nahe
dem oberen Totpunkt beginnt, die darauffolgende Verbrennung schlagartig
erfolgt, was zu einem Anstieg der Verbrennungstemperatur und einem
erhöhten NOx-Ausstoß führt.
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Darüber hinaus
haftet bei einer homogenen Ladungskompressionszündverbrennung der eingespritzte
Kraftstoff aufgrund der Kraftstoffeinspritzung bei einem tiefer
als üblich
liegenden Kolben an der Innenwand des Zylinders an, sofern der Einspritzwinkel nicht
korrekt eingestellt ist, was zu einer Erhöhung der Menge an nicht verbrannten
Kohlenwasserstoffen und/oder nicht verbrannter Öllösung führen kann, was wiederum eine
Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs zur Folge hat.
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Die
DE 199 16 485 A1 offenbart
einen Direkteinspritzungs-Dieselmotor mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
US-A-58 75 743 beschreibt einen Dieselmotor, der dazu ausgelegt
ist, in einem ersten Geschwindigkeits- und Lastbereich in einem
herkömmlichen
Dieselverbrennungsmodus und in einem zweiten Last- und Geschwindigkeitsbereich
in einem homogenen Ladungskompressionszündmodus zu arbeiten. Der Motor
weist zwei Kraftstoffeinspritzer auf, und zwar einen Kraftstoffeinspritzer
im Zylinder und einen Einlasskanalkraftstoffeinspritzer. Der Kraftstoffeinspritzer
im Zylinder wird im herkömmlichen
Dieselmodus eingesetzt, während
der Einlasskanalkraftstoffeinspritzer im homogenen Ladungskompressionszündmodus
aktiviert wird.
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Die
EP-A-1 031 722 offenbart eine Steuervorrichtung für einen
Verbrennungsmotor vom Vormischkompressionszündtyp, welche ein Kraftstoffeinspritzventil
zur Kraftstoffzufuhr in eine Verbrennungskammer des Motors, ein
Betriebszustand-Erfassungsmittel
zur Erfassung des Betriebszustands des Motors und ein Kraftstoffeinspritzsteuermittel
zur Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils auf der Basis der Ergebnisse
der von dem Betriebszustand-Erfassungsmittel durchgeführten Ermittlung
hat, wobei das Kraftstoffeinspritzsteuermittel das Kraftstoffeinspritzventil
derart steuert, dass die Zufuhr von Kraftstoff in die Verbrennungskammer
spätestens
beendet ist, ehe der Kolben einen oberen Totpunkt der Verdichtung
erreicht, wobei die Steuervorrichtung ein Luftzuführmittel
zur Zufuhr von Druckluft zur Verbrennungskammer und ein Luftmengen-Steuermittel
zur Steuerung des Luftzufuhrmittels umfasst, wobei das Luftmengen-Steuermittel
die Druckluftzufuhrrate so steuert, dass die Verbrennung eines Gasgemisches durch
Selbstzündung
aufgrund einer Kompressionswirkung des Motorkolbens dann erfolgt,
wenn der Kolben nahe dem oberen Totpunkt der Kompression angelangt
ist. Diese Steuervorrichtung stellt sicher, dass die Ausgabe einem
Zeitpunkt einer Hochlastoperation des Motors entspricht, wobei der
NOx-Ausstoß verringert
wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegen die genannten Probleme zugrunde, wobei
ihre Aufgabe darin besteht, bei Durchführung einer homogenen Ladungskompressionszündverbrennung
eine geeignete Kraftstoffeinspritzung für alle Motorbetriebsbereiche
sowie eine Reinigung der Abgase und eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs
zu erzielen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Direkteinspritzungsdieselmotor
nach Anspruch 1 gelöst.
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Dabei
wird während
einer Teillastoperation (niedrige/mittlere Last) des Motors eine
Kraftstoffeinspritzung im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus
durchgeführt,
wodurch eine homogene Ladungskompressionszündverbrennung erfolgt und sich
Vorteile, wie etwa eine Verbesserung der (Menge der) Abgase, erzielen
lassen und wobei sich zusätzlich
während
des Volllastbetriebs des Motors eine Kraftstoffeinspritzung im herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzmodus durchführen
lässt,
wodurch eine herkömmliche
Diffusionsverbrennung erfolgt; hierdurch lässt sich eine geeignete Kraftstoffeinspritzung im
gesamten Motorbetriebsbereich durchführen.
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Vorzugsweise
wird ein Luftüberschussverhältnis λ von weniger
als 2,5 als Volllastoperation identifiziert und die Kraftstoffeinspritzung
im herkömmlichen
Einspritzmodus durchgeführt,
während ein
Luftüberschussverhältnis λ von wenigstens
2,5 als Teillastoperation identifiziert wird, wobei in diesem Fall
eine Kraftstoffeinspritzung im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus
erfolgt.
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Da
im herkömmlichen
Einspritzmodus der Kraftstoff in eine radial nach außen weisende
Richtung von der untersten Position des Hohlraums aus eingespritzt
wird, lässt
sich der Kraftstoff in das Innere des Hohlraums sowohl im herkömmlichen
Einspritzmodus als auch im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus einspritzen,
was es ermöglicht,
im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus ein Anhaften von
Kraftstoff an der Seitenwand im Zylinder zu verhindern und wodurch
zudem eine Kraftstoffakkumulation nahe der niedrigsten Position
vermieden wird. Hierdurch lässt
sich wiederum ein Ausstoß von
nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen vermeiden.
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Vorzugsweise
ist in der Mitte der Bodenwand des Hohlraums ein Vorsprung ausgebildet,
wobei die Seitenwand des Hohlraums derart mit einer Stirnfläche versehen
ist, dass es am Einlass des Hohlraums nicht zu einer Drosselung
kommt.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Inneren eines Motors
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht des Inneren eines Direkteinspritzungs-Dieselmotors gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel.
Wie sich der Figur entnehmen lässt,
ist ein Zylinderkopf 4 mit Hilfe einer Dichtung 3 am
oberen Ende eines Zylinders 2 gehaltert, wobei ein Kolben 1 so
vorgesehen ist, dass er sich vertikal frei im Zylinder 2 auf-
und abbewegen kann. Eine Verbrennungskammer 5 wird durch
den Kolben 1, den Zylinder 2, und den Zylinderkopf 4 begrenzt.
Am oberen Ende des Kolbens 1 ist ein Hohlraum 6 vorgesehen;
der Hohlraum 6 bildet einen Teil der Verbrennungskammer 5.
Im Zylinderkopf 4 befindet sich eine Kraftstoffeinspritzdüse 7 zur Kraftstoffeinspritzung
in die Verbrennungskammer. Das obere Ende der Kraftstoffeinspritzdüse 7 steht
in das Innere der Verbrennungskammer 5 vor und weist an
ihrer Spitze mehrere Düsenöffnungen 8 auf.
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Der
Kolben 1, der Zylinder 2, die Kraftstoffeinspritzdüse 7 und
der Hohlraum 6 liegen auf derselben Achse C, so dass all
diese Bauteile koaxial zueinander ausgerichtet sind. Die Düsenöffnungen 8 der
Kraftstoffeinspritzdüse 7 sind
in gleichmäßigen Abständen in
Umfangsrichtung an Positionen angeordnet, die auf derselben Höhe auf dieser
Achse C liegen, wobei sie so ausgerichtet sind, dass der Kraftstoff
durch die Düsenöffnungen
jeweils mit einem festgelegten Einspritzwinkel θ bezogen auf die Achse C eingespritzt
wird. In der Zeichnungsfigur ist der durch entsprechende Einspritzachsen,
welche symmetrisch um die Achse C verlaufen, gebildete Winkel (Öffnungswinkel)
als 2θ angegeben;
der Hälftewert θ hiervon
ist der Einspritzwinkel der Kraftstoffeinspritzung. Der Hohlraum 6 weist
eine bezüglich
der Achse C symmetrische Form auf.
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Im
vorliegenden Fall könnte
es sich bei dem Motor um einen Dieselmotor vom Einspritzpumpentyp
handeln, der einen elektronischen Regler enthält, in dem die Kraftstoffeinspritzrate
und der Einspritzzeitraum usw. des Motors elektronisch entsprechend den
Motorbetriebsbedingungen gesteuert werden, wobei allerdings vorzugsweise
ein Commonrail-Dieselmotor eingesetzt wird, da dieser einen größeren Freiheitsgrad
hinsichtlich des Einspritzzeitraums aufweist. Im Falle des Motors
vom Commonrail-Typ kann die Kraftstoffeinspritzdüse 7 ein Einspritzer sein,
der einen elektronischen Betätiger
(elektromagnetisches Solenoid usw.) enthält. Motorbetriebsbedingungs-Erfassungsmittel
sind dazu vorgesehen, den Betriebszustand des Motors, wie etwa die
Motordrehzahl und Motorlast zu ermitteln; dazu gehören zumindest
Erfassungsmittel für
die Einlassrate (Luftstromsensor usw.) zur Erfassung der Motorlufteinlassrate.
Zudem ist eine elektronische Steuereinheit vorgesehen, die die Soll-Kraftstoffeinspritzrate
und den Einspritzzeitraum etc. aufgrund dieser ermittelten Motorbetriebsbedingungen
berechnet und festlegt und die Einspritzung entsprechend diesem
Sollwert durchführt.
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Der
Hohlraum 6 stellt eine sogenannte toroidale Verbrennungskammer
dar, die wie ein flacher Teller geformt ist, wobei ihre Form einen
möglichst kleinen
Oberflächenbereich
aufweist. In der Mitte der Bodenwand in der Verbrennungskammer,
wo die Luftverbrauchsrate gering ist, ist ein sanft ansteigender
Vorsprung 9 ausgeformt. Zudem ist die Seitenwand 10 des
Hohlraums 6 allein durch solche Oberflächen gebildet, durch die es
zu keiner Drosselung im Hohlraumeinlass kommt. Dies bedeutet, dass
alle Oberflächen
der Seitenwand 10 entweder von der Achse C nach oben weg
oder parallel zu dieser Achse C verlaufen, so dass keine Oberfläche existiert, die
nach oben auf die Achse C zu verläuft. Anders gesagt, sind nur
Oberflächen
vorhanden, die sich nach oben öffnen
oder vertikal verlaufen; es gibt keine sich nach unten öffnenden
Oberfläche.
Somit stellt der Hohlraum 6 keine mit einem Rand versehene
sogenannte Wiedereintritts-Verbrennungskammer
dar.
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In
der Zeichnungsfigur sind mehrere Kolbenpositionen dargestellt. Die
höchste
dieser dargestellten Positionen (1) befindet sich in der
Nähe des
oberen Kompressions-Totpunkts; wobei diese Position zwischen 10° vor dem
oberen Kompressionstotpunkt (BTDC) und 10° nach dem oberen Kompressionstotpunkt
(ATDC) liegt. Die darauffolgenden Positionen in nach unten gehender
Bewegung sind BTDC 20° (II),
30° (III),
40° (IV),
50° (V)
und 60° (VI).
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Zudem
sind in der Zeichnungsfigur mehrere Einspritzwinkel dargestellt.
Von oben nach unten handelt es sich dabei um θ = 77,5°, 70°, 62,5° und 55°. Für 2θ ergeben sich hierfür die Werte
2θ = 155°, 140°, 125° und 110°.
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Der
Motor gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
wird nun mit zwei Kraftstoffeinspritzmodi, nämlich einem herkömmlichen
Einspritzmodus und einem homogenen Ladungskompressionseinspritzmodus
ausgestattet.
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Bei
dem herkömmlichen
Einspritzmodus handelt es sich um einen Modus, in dem Kraftstoff von
der Kraftstoff-Einspritzdüse 7 mit
einem Timing nahe dem oberen Kompressionstotpunkt des Kolbens eingespritzt
wird, wobei in diesem Modus die Kraftstoffeinspritzung mit derselben
Zeitsteuerung erfolgt, wie bei einem herkömmlichen Motor. Im einzelnen
beginnt die Kraftstoffeinspritzung zu einem Zeitpunkt zwischen BTDC
10° und
ATDC 10°.
Neben einer Einmaleinspritzung, bei der die gesamte Einspritzmenge
bei einer einzigen Einspritzung eingespritzt wird, kann dieser herkömmliche
Einspritzmodus auch eine Doppeleinspritzung umfassen, bei dem in
einer Voreinspritzung eine kleine Menge eingespritzt wird, ehe die Haupteinspritzung
durchgeführt
wird, in der die restliche Menge eingespritzt wird. Bei der Doppeleinspritzung
liegt der Startzeitpunkt der zweiten Einspritzung, d.h. der Haupteinspritzung,
zwischen BTDC 10° und
ATDC 10°.
Somit handelt es sich beispielsweise bei der Einmaleinspritzung
bei dem Verbrennungsmodus um einen Diffusionsverbrennungsmodus,
in dem der Kraftstoff, der während
der anfänglichen
Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wurde, nach einer Zündzeitverzögerung zündet und
der Kraftstoff durch eine fortgesetzte Einspritzung in die hierbei
erzeugte Flamme verbrannt wird.
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Da
allerdings bei der Diffusionsverbrennung neu in die Flamme eingespritzter
Kraftstoff verbrannt wird, muss der Kraftstoff zur Verbrennung in
einen Bereich eingespritzt werden, in dem sich ursprünglich wenig
Sauerstoff befindet, so dass eine Rauchentwicklung wahrscheinlich
ist. Diese Verbrennung kann daher in der folgenden Weise mit einem
homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus kombiniert werden.
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Der
homogene Ladungskompressions-Einspritzmodus ist ein Modus, in dem
Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzdüse 7 zu einem Zeitpunkt
eingespritzt wird, der früher
als bei dem herkömmlichen Modus
angesiedelt ist, wobei eine Zündung
des Kraftstoffs nicht erfolgt, ehe zumindest die Einspritzung beendet
wurde. Im einzelnen beginnt die Kraftstoffeinspritzung zu einem
Zeitpunkt zwischen BTDC 50° und
20°. Dieser
Zeitpunkt ist so gewählt,
dass die Kraftstoffzündung
erfolgt, nachdem die Kraftstoffeinspritzung abgeschlossen ist. In
entsprechender Weise wie bereits erläutert, umfasst der homogene
Ladungskompressions-Einspritzmodus
neben der Einzeleinspritzung eine Doppeleinspritzung, bei der eine Voreinspritzung
durchgeführt
wird. Im Falle der Doppeleinspritzung liegt der Startzeitpunkt der
Haupteinspritzung zwischen BTDC 50° und 20°. So kann es sich beispielsweise
bei dem für
die Einzeleinspritzung herangezogenen Verbrennungsmodus um einen
homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus handeln, in dem Kraftstoff
in einem Zustand eingespritzt wird, in dem die Temperatur und der Druck
im Zylinder noch nicht ausreichend hoch sind, so dass die Zündzeitverzögerung verlängert wird
und sich durch Vermengen und Mischen des Kraftstoffs und der Luft
innerhalb der Verbrennungskammer 5 ein Vorgemisch dampf
bildet, wobei sich der Vorgemischdampf, der sich im wesentlichen
in alle Bereich innerhalb der Verbrennungskammer 5 verteilt
hat, nach Abschluss der Kraftstoffeinspritzung bei einem Anstieg
des Drucks und der Temperatur im Zylinder entzündet, wodurch die Verbrennung
erfolgt. Da die Verbrennung stattfindet, nachdem der gesamte Kraftstoff
mit Luft vermischt wurde und sich in der Verbrennungskammer gleichmäßig verteilt
hat, ist der Kraftstoff bei der Verbrennung von einer großzügigen Menge
an Sauerstoff umgeben, so dass eine Rauchentwicklung vermieden werden
kann, die Verbrennungsrate vergleichsweise niedrig ist und die Verbrennungstemperatur
nicht abrupt ansteigt, wodurch sich die Erzeugung von NOx verhindern
lässt.
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Da
allerdings, wie beschrieben, im Falle eines Betriebs des Motors
unter Volllast ein Klopfproblem etc. auftritt, ist es hierbei unmöglich, den
homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus (homogene Ladungskompressionszündverbrennung) einzusetzen.
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Dementsprechend
wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Kraftstoffeinspritzung im Volllastbetrieb auf dieselbe Weise
durchgeführt wie
dies üblicherweise
bei einem normalen Einspritzmodus erfolgt, während bei einem Teillastbetrieb (niedrige/mittlere
Last), d.h. bei einer niedrigeren Last, die Kraftstoffeinspritzung
im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus erfolgt. Auf diese
Weise kann die homogene Ladungskompressionszündverbrennung, die im Hinblick
auf die Reinigung des Abgases vorteilhaft ist, hierbei eingesetzt werden,
während
eine geeignete Kraftstoffeinspritzung in allen Betriebsbereichen
durchgeführt
wird.
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Es
ist möglich,
die Modus-Umschaltzeitsteuerung bzw. den zu verwendenden Modus in
Abhängigkeit
von der Größe der Kraftstoffeinspritzrate
zu wählen,
wobei jedoch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Entscheidung
von der Größe des Luftüberschussverhältnisses
abhängt.
Man hat in Experimenten festgestellt, dass das Auftreten eines Dieselklopfens
bei der homogenen Ladungsverbrennung zum Grossteil vom Luftüberschussverhältnis λ abhängt; dabei
hat sich bestätigt,
dass ein heftiges Dieselklopfen bei einem Luftüberschussverhältnis von λ = weni ger
als 2,5 auftritt. Von einer Volllastoperation wird ausgegangen,
wenn das Luftüberschussverhältnis λ unter einem
festgelegten Wert liegt, der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
2,5 beträgt, wobei
dann die Kraftstoffeinspritzung im herkömmlichen Einspritzmodus durchgeführt wird.
Hingegen wird bei einem Luftüberschussverhältnis λ von 2,5 oder
höher von
einer Teillastoperation (niedrige/mittlere Last) ausgegangen und
die Kraftstoffeinspritzung erfolgt im homogenen Ladungskompressionseinspritzmodus.
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Im
einzelnen berechnet dabei die elektronische Steuereinheit das Luftüberschussverhältnis λ aus der
tatsächlichen
durch Einlassratenerfassungsmittel erfassten Lufteinlassrate sowie
der Soll-Kraftstoffeinspritzrate und führt eine Kraftstoffeinspritzung im
herkömmlichen
Einspritzmodus durch, sofern λ < 2,5 ist, während bei λ ≥ 2,5 eine
Kraftstoffeinspritzung im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus durchgeführt wird.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden
zwei Modi unter Verwendung einer einzigen Kraftstoff-Einspritzdüse 7 durchgeführt, die
mit feststehenden Düsenöffnungen 8 versehen
ist. Falls daher der Einspritzwinkel θ der Kraftstoff-Einspritzdüse 7 im
herkömmlichen
Einspritzmodus zu groß ausgelegt
ist (d.h. wenn sich der Öffnungswinkel
2θ vergrößert), so
gelangt dann, wenn der Kolben im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus
niedriger liegt, der Kraftstoffdampf nicht in den Hohlraum 6, sondern
kollidiert mit der Innenwand des Zylinders 2, wodurch die
Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen erhöht und/oder das Öl verdünnt wird.
Zudem kollidiert bei einem zu kleinen Einspritzwinkel θ im homogenen
Ladungskompressions-Einspritzmodus (d.h. bei einer Verringerung
des Öffnungswinkels 2θ) im herkömmlichen
Einspritzmodus der Kraftstoffdunst mit dem Boden des Hohlraums 6 und
sammelt sich im Hohlraum 6 an, wobei die Menge an unverbranntem
Kohlenwasserstoff usw. zunehmen kann. Aus diesem Grund wird der
Einspritzwinkel θ der Kraftstoff-Einspritzdüse 7 in
der unten beschriebenen Weise eingestellt, damit die beiden Modi
koexistieren können.
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Im
einzelnen wird der Einspritzwinkel θ derart auf einen bestimmten
Winkel eingestellt, dass der Kraftstoff im herkömmlichen Einspritzmodus die
Innenwand des Hohlraums an der radial äußeren Seite von der untersten
Position des Hohlraums 6 aus und im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus
wenigstens die Innenwand des Hohlraums erreicht.
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Die
unterste Position des Hohlraums 6 ist die Position bzw.
der Punkt, an dem der Hohlraum 6 am tiefsten ist, und stellt
die Position B dar, an der sich die Höhe H und die Radialposition
R in der Zeichnung schneiden. Diese unterste Position B erscheint
als ein Kreis, der einmal um die Achse C herumverläuft. Die
Grenze von θ nach
unten hin ist beim herkömmlichen
Einspritzmodus die tiefste Position B und die Grenze von θ nach oben
hin ist die Schnittposition K, an der sich die Seitenwand 10 des
Hohlraums 6 und der Kolbenscheitelpunkt 11 schneiden.
Der Schnittwinkel θ wird
beim herkömmlichen
Einspritzmodus derart eingestellt, dass Kraftstoff nicht zwischen
dieser untersten Position B und der Schnittposition K auf die Innenwand
des Hohlraums auftrifft bzw. damit kollidiert.
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Auch
beim homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus kann der Kraftstoff
die Innenwand des Hohlraums erreichen, wobei der wichtigste Punkt
darin besteht, dass der Kraftstoff in der Lage sein sollte, in den
Hohlraum 6 zu gelangen. Die einzige Grenze für θ besteht
somit nach oben hin in der Schnittposition K, während es keine Grenze für θ nach unten
hin gibt. Der Grund hierfür
ist, dass in diesem Modus der Kraftstoff früher als normal eingespritzt
wird, so dass sich die Zündzeitverzögerung verlängert, was
dazu führt,
dass sich der gesamte Kraftstoff in der Zwischenzeit mit Luft vermischen kann,
so dass das Problem von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen nicht
auftritt.
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Die
Beziehung zwischen dem Einspritzwinkel θ (bzw. Öffnungswinkel 2θ) und der
Einspritzzeitsteuerung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Zeichnungsfigur beschrieben. Zunächst
wird davon ausgegangen, dass die Kraftstoffeinspritzung im herkömmlichen
Einspritzmodus durchgeführt
wird, wenn der Kolben 2 sich in der gezeigten obersten
Position befindet. Zudem wird davon ausgegangen, dass die Kraftstoffeinspritzung
im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus
dann durchgeführt
wird, wenn sich der Kolben 2 in einer darge stellten Position
BTDC 20°,
30°, 40° oder 50° befindet. Die
Position BTDC 60° ist
auch dargestellt, wobei dies allerdings nur dem besseren Verständnis dient.
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Der
Einspritzwinkel θ =
77,5° (2θ = 155°), bei dem
es sich um die dargestellte oberste Position handelt, weist einen
typischen Wert auf, der sich für
einen herkömmlichen
Motor einsetzen lässt.
In diesem Fall ist natürlich
im herkömmlichen
Einspritzmodus die genannte Bedingung erfüllt, wobei die genannte Bedingung
auch dann erfüllt
ist, wenn im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus die Einspritz-Anfangszeitsteuerung
bei BTCD 20° oder
30° liegt.
Allerdings ist diese Bedingung für
BTDC 40° und
50° nicht
erfüllt;
somit kann für
einen Fall, in dem die Einspritz-Anfangszeitsteuerung im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus BTC
20° oder
30° beträgt, ein
Einspritzwinkel von θ =
77,5° (2θ = 155°) Verwendung
finden.
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θ = 70° (2θ = 140°) erfüllt ebenfalls
die genannte Bedingung im herkömmlichen
Einspritzmodus. Wenn nun im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus
die Einspritz-Anfangszeitsteuerung BTDC 20° oder 30° beträgt, so wird die genannte Bedingung
erfüllt,
was jedoch nicht für
BTDC 40° und
50° gilt.
Dementsprechend kann für
den homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus bei einer Einspritz-Anfangszeitsteuerung
von BTDC 20° oder
30° ein
Einspritzwinkel von θ =
70° (2θ = 140°) Verwendung
finden.
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θ = 62,5° (2θ = 125°) erfüllt die
genannte Bedingung ebenfalls im herkömmlichen Einspritzmodus. Wenn
im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus die Einspritz-Anfangszeitsteuerung
BTDC 20°,
30° oder
40° beträgt, so wird
die genannte Bedingung erfüllt,
was jedoch nicht für
BTDC 50° der
Fall ist. Dementsprechend kann für
den homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus bei einer Einspritz-Anfangszeitsteuerung
von BTDC 20°, 30° oder 40° ein Einspritzwinkel
von θ =
62,5° (2θ = 125°) Verwendung
finden.
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θ = 55° (2θ = 110°) erfüllt im herkömmlichen Einspritzmodus
die genannte Bedingung nicht. Im homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus wird
hier die genannte Bedingung bei jeder Einspritzanfangszeitsteuerung
(BTDC 20°,
30°, 40° oder 50°) erfüllt. Da
allerdings die genannte Bedingung im herkömmlichen Einspritzmodus nicht
erfüllt
wird, kann ein Einspritzwinkel von θ = 55° (2θ = 110°) nicht eingesetzt werden.
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Somit
werden bei der Bestimmung des Einspritzwinkels θ der Durchmesser und/oder die
Tiefe des Hohlraums 6 insbesondere für die Einspritz-Anfangszeitsteuerung
des homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus herangezogen, wobei
allerdings in jedem Fall durch Wahl eines Winkels bei dem die genannte
Bedingung im herkömmlichen
Einspritzmodus erfüllt
ist, der Ausstoß von
unverbranntem Kohlenwasserstoff im herkömmlichen Einspritzmodus und/oder
die Kollision von Kraftstoffdunst mit der Seitenwand des Zylinders 2 im
homogenen Ladungskompressions-Einspritzmodus verhindert werden kann.
Bei dem herkömmlichen
Einspritzmodus wird der Kraftstoff so eingespritzt, dass er an der
Innenwand des Hohlraums in radialer Richtung nach außen zur
untersten Position des Hohlraums 6 auftrifft, wodurch der
Kraftstoff nach dem Kollidieren mit der Innenwand des Hohlraums
dazu gebracht werden kann, radial nach außen entlang der Innenwand des
Hohlraums abzufließen,
wodurch er sich verteilt und es möglich wird, Luft in einem größeren Bereich zu
nutzen; somit lässt
sich die erwünscht
Verbrennung erzielen.
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Allerdings
ist es wünschenswert,
dass die Verbrennung in einer möglichst
weit von der Unterseite des Zylinderkopfes 4 entfernten
Position erfolgt. Der Grund hierfür besteht darin, dass sich
im Inneren des Zylinderkopfes 4 eine Wasserhülle bildet,
wobei der Zylinderkopf 4 durch das Wasser gekühlt wird; wenn
also die Verbrennung nahe der Unterseite des Zylinderkopfes erfolgt,
so wird Wärme
durch den Zylinderkopf 4 abgezogen, was zu einer Verringerung der
Wärmeeffizienz
führt,
was wiederum im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch von Nachteil
ist und zur Erzeugung von schwarzem Rauch führt.
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In
dieser Hinsicht ist es also wünschenswert, den
Einspritzwinkel θ so
klein wie möglich
zu wählen. Im
Experiment wurde festgestellt, dass sich der Kraftstoffverbrauch
bei einem Einspritzwinkel θ von
gleich oder kleiner 67,5° (2θ = 135°) verbessert
und schwarzer Rauch nicht auftritt. Vorzugsweise ist der Einspritzwinkel θ also kleiner
oder gleich 67,5°.
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Zudem
werden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Wärmeeffizienz
und der Kraftstoffverbrauch verbessert, da durch Verwendung einer
Hohlraumform mit möglichst
geringer Oberfläche ein
Abzug von Hitze durch den Kolben 2 erschwert wird. Zudem
ist ein Vorsprung 9 so ausgeformt, dass er den nicht benötigten Bereich
einnimmt, der dadurch entsteht, dass die Verbrennung im Hohlraum 6 hauptsächlich im äußeren Bereich
erfolgt, so dass die Nutzungsrate der Luft in der Mitte des Hohlraums gering
ist; somit besitzt der Hohlraum 6 eine toroidale Verbrennungskammerausgestaltung.
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Daneben
wurde festgestellt, dass eine weitestmögliche Unterdrückung des
Luftstroms innerhalb der Verbrennungskammer 5 bei der homogenen Ladungskompressions-Zündverbrennung
die Verbrennungstemperatur senkt und es ermöglicht, den NOx-Ausstoß zu verringern
und zudem den Kraftstoffverbrauch durch Verringerung des Wärmeverlustes
zu verbessern. Somit wurde für
den Hohlraum 6 bei diesem Ausführungsbeispiel eine Form gewählt, die
am Hohlraumeinlass keinen radial nach innen vorstehenden Rand aufweist,
d.h. die nicht vom sogenannten Wiedereintrittstyp ist. Es ist nämlich bereits
bekannt, dass bei einem Wiedereintrittstyp eine gute Möglichkeit
besteht, dass Wirbel innerhalb des Hohlraums aufrechterhalten werden,
wobei auch ein Wirbel in der Luft außerhalb des Hohlraums während des
Expansionshubs nach innen übertragen
wird und sich die Bewegung der Luft innerhalb der gesamten Verbrennungskammer
verbessert; dies ermöglicht eine
heftigere Verbrennung und ist daher im herkömmlichen Verbrennungsmodus
wünschenswert. Allerdings
wird bei der homogenen Ladungskompressions-Zündverbrennung von Anfang an
ein Vorgemischdampf ausgebildet, der die Verbrennung erleichtert,
so dass dann, wenn die Verbrennung zu lebhaft wird, die Verbrennungstemperatur
ansteigt, wodurch auch der NOx-Ausstoß steigt. Zudem steigt in demselben
Maße,
indem sich die Verbrennungstemperatur erhöht, auch der Wärmeverlust
an, was sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel,
bei dem eine homogene Ladungskompressions-Zündverbrennung durchgeführt wird,
wird also kein Hohlraum vom Wiedereintrittstyp eingesetzt. Aus diesem
Grund kann auch für
den Lufteinlasskanal eine Form gewählt werden, bei der nur geringe
Wirbel entstehen.
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Es
können
auch verschiedene andere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen.
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Zusammenfassend
lässt sich
sagen, dass die vorliegende Erfindung außerordentliche Vorteile bietet,
indem die Kraftstoffeinspritzung in allen Motorbetriebsbereichen
in einer geeigneten Weise durchgeführt wird, wobei auch eine homogene
Ladungskompressionszündverbrennung
erfolgt und eine Reinigung der Abgase und Reduzierung der Kraftstoffkosten
erzielt wird.