EP1608856A1 - Brennkraftmaschine mit selbstz ndung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit selbstz ndung

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Publication number
EP1608856A1
EP1608856A1 EP04724291A EP04724291A EP1608856A1 EP 1608856 A1 EP1608856 A1 EP 1608856A1 EP 04724291 A EP04724291 A EP 04724291A EP 04724291 A EP04724291 A EP 04724291A EP 1608856 A1 EP1608856 A1 EP 1608856A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection
fuel
combustion chamber
water
combustion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04724291A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alois Raab
Martin Schnabel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1608856A1 publication Critical patent/EP1608856A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M25/022Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025Adding water
    • F02M25/03Adding water into the cylinder or the pre-combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/02Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M43/00Fuel-injection apparatus operating simultaneously on two or more fuels, or on a liquid fuel and another liquid, e.g. the other liquid being an anti-knock additive
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M45/02Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
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    • F02B3/06Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with auto-ignition, in particular a diesel internal combustion engine, according to the preamble of claim 1.
  • the heterogeneous type of combustion control inevitably results in very high pressures and high combustion temperatures due to the auto-ignition of the injected fuel in the combustion chamber, which in particular produces high NOx emissions. Furthermore, the fuel-rich zones result in considerable amounts of soot particles, some of which are oxidized at the high temperatures present.
  • a modern homogeneous internal combustion engine strives for a combined homogeneous / heterogeneous mode of operation with which an improved combustion is to be achieved.
  • a method is known from EP 509 372 B1, in which a gaseous main fuel and a liquid secondary fuel are used, the ignition of the main fuel being initiated with the secondary fuel.
  • the liquid secondary fuel is injected into the combustion chamber as a mixture of water and fuel in the form of a pilot injection.
  • the mixing of water with the liquid fuel serves to enable the pilot injection to initiate ignition of the main fuel and the volume of the mixture injected by the pump to be chosen in such a way that atomization can be designed precisely by means of the injection nozzle.
  • EP 459 083 B1 discloses a method for operating an internal combustion engine, in which water and diesel fuel are used, which are introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine by means of a fuel / water injection device in such a way that fuel in an amount of between 5% is initially used during an injection. or more and 75% or less of a total fuel injection amount, then a predetermined amount of water and finally the remaining fuel are injected.
  • a fuel / water injection device in such a way that fuel in an amount of between 5% is initially used during an injection. or more and 75% or less of a total fuel injection amount, then a predetermined amount of water and finally the remaining fuel are injected.
  • both the fuel and the water are injected into the combustion chamber via a single fuel injection valve, so that a rise in temperature of a flame is suppressed in order to minimize the generation of NOx emissions.
  • the method according to the invention is characterized in that during suction, compression and / or explosion expansion stroke for cooling a mixture present in the combustion chamber, a liquid with a high evaporation enthalpy is introduced into the combustion chamber, so that an increase in pressure in the combustion chamber is reduced and, if necessary, an ignition timing of the pre-injection or main injection is delayed. Thus, a maximum temperature is still reduced.
  • the cooling liquid is preferably introduced into the combustion chamber with a high evaporation enthalpy during the intake and / or compression stroke. Furthermore, the ignition timing of the pre-injection and / or main injection can be delayed depending on the fuel quantity of the pre-injection.
  • the liquid is introduced into the combustion chamber before or after the start of the pre-injection.
  • the cooling liquid Through an almost simultaneous injection of the cooling liquid, the presence of the cooling liquid during the pre-injection due to the high enthalpy of vaporization of the liquid achieves the desired cooling effect before the ignition of the homogeneous mixture, which is formed by the early pre-injection. This delays the ignition timing of the pre-injection, reduces the pressure rise in the combustion chamber and lowers the temperature level.
  • the liquid is introduced into the combustion chamber after the pre-injection has ended.
  • the introduction of the cooling medium serving liquid takes place in this case after the ignition of the homogeneous mixture or after the ignition of the homogeneous mixture, whereby the pressure increase in the combustion chamber and a maximum temperature are reduced.
  • the introduction of the liquid into the combustion chamber is ended before the end of the main injection of the fuel.
  • the introduction of the cooling medium influences both the combustion of the homogeneous premix and the combustion of the heterogeneous part of the main injection, so that the pressure rise is reduced and the temperature level is reduced. This enables the start of injection of the injections and the pressure curve of the combustion to be optimized.
  • the liquid is introduced into the combustion chamber in the form of a quantity of water.
  • This removes heat from the fuel or the mixture in the combustion chamber without changing the composition of the mixture.
  • This is expedient and expedient in particular in a combustion process with pre-injection, main injection and possibly post-injection, since the injection times and fuel quantities of the partial injections carried out are regulated depending on the operating point.
  • another liquid with a comparable high enthalpy of vaporization is used instead of the introduction of water.
  • a second fuel can be introduced which has a vaporization enthalpy that is comparable to that of water.
  • the amount of water is mixed with the fuel during the pre-injection and / or the main injection within the injection device in such a way that the water is introduced into the combustion chamber in the form of a fuel / water emulsion. Consequently the desired cooling effect is ensured, since the water and fuel are mixed before the fuel is injected into the combustion chamber.
  • the amount of water is introduced into the combustion chamber by means of an additional injection device.
  • an additional injection device By introducing the water with a separate injector, high fuel injection pressures can be achieved without having to take into account the use of water in the fuel injection device.
  • the amount of water is mixed with the fuel during the pre-injection and / or the main injection within the injection device such that the water in the form of a fuel / water / fuel stratification or fuel / water stratification or water / fuel stratification - is introduced into the combustion chamber.
  • the pre-injection is carried out in a compression stroke range of approximately 150 ° KW to 30 ° KW before top dead center.
  • the pre-injection is preferably clocked. Due to the early pre-injection and any timing of the pre-injection, the basic mixture consisting of fuel, air and possibly exhaust gas is homogenized to a greater extent, so that a subsequent or simultaneous introduction of the amount of water can achieve targeted cooling.
  • the main injection and optionally the post-injection are carried out in succession around top dead center in a range from 20 ° KW before top dead center to 40 ° KW after top dead center.
  • the pressure of the fuel introduced into the combustion chamber is changed during an injection process. This is intended to avoid wetting the combustion chamber walls with fuel.
  • the injection pressure is preferably varied as a function of the operating point and / or according to a back pressure prevailing in the combustion chamber, so that the fuel wall wetting is minimized.
  • the pre-injection is carried out in a clocked manner, a fuel cloud of a fuel jet generated during an injection cycle being displaced or shifted laterally during the pre-injection by means of a swirl movement formed in the combustion chamber, so that during a subsequent injection cycle the newly injected fuel jets do not enter the fuel cloud the previous injection stroke penetrate.
  • This is intended to avoid wetting the combustion chamber walls with fuel and to achieve a greater homogenization of the pre-injected fuel quantity.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a direct-injection internal combustion engine with auto-ignition
  • FIG. 2 shows a diagram for a schematic cylinder pressure curve during the combustion of a homogeneous mixture of the internal combustion engine according to FIG. 1 without the use of a cooling medium and / or exhaust gas recirculation,
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the fuel injection times of the combustion according to FIG. 2, 4 shows a diagram for a schematic cylinder pressure curve of the internal combustion engine from FIG. 1 during the combustion of a homogeneous mixture with exhaust gas recirculation and water injection,
  • FIG. 5 shows a diagram for a schematic cylinder pressure curve of a homogeneous / heterogeneous combined combustion of the internal combustion engine according to FIG. 1 without the use of a cooling medium and / or exhaust gas recirculation,
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a fuel injection strategy for the combustion according to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a fuel injection strategy of a homogeneous / heterogeneous combined combustion with a water injection of the internal combustion engine according to FIG. 1,
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of the combustion according to FIG. 7,
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a third exemplary embodiment of the combustion according to FIG. 7,
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a fourth exemplary embodiment of the combustion according to FIG. 7,
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a fifth exemplary embodiment of the combustion according to FIG. 7, and
  • FIG. 12 shows a diagram for a cylinder pressure curve of a homogeneous / heterogeneous combined combustion of the internal combustion engine according to FIG. 1 with a water injection.
  • 1 shows an internal combustion engine 1 in which a crankshaft 2 is driven by a piston 5 guided in a cylinder 9 via a connecting rod 4.
  • a combustion chamber 8 is formed in the cylinder 9 between the piston 5 and a cylinder head 10, which preferably comprises a piston recess 6 which is introduced into the piston crown 7.
  • the combustion chamber 8 becomes smaller, the air enclosed in it being compressed.
  • the gas exchange in the combustion chamber 8 takes place via gas exchange valves, not shown, which are arranged in the cylinder head 10.
  • a multi-hole injection nozzle 13 is arranged almost centrally in the cylinder head 10, being controlled by an electronic control unit 16 of an engine control system via a signal line 15 and an actuator 14, for example a piezoelectric or a hydraulic actuator.
  • the internal combustion engine 1 works according to the 4-stroke principle.
  • a cylinder pressure curve of a homogeneous combustion of the internal combustion engine 1 with auto-ignition is shown in FIG. 2, the corresponding fuel injection times being shown in FIG. 3.
  • the piston 5 moves in a downward movement from the top dead center 12 to a bottom dead center UT.
  • combustion air is supplied to the combustion chamber 8 via an inlet duct (not shown).
  • a certain amount of exhaust gas from a previous work cycle is preferably admixed to the combustion air supplied to the combustion chamber 8 by an exhaust gas recirculation valve.
  • the piston 5 moves in an upward movement from bottom dead center UT to an upper ignition dead center ZOT, fuel being injected into the combustion chamber 8 filled with compressed air shortly before ZOT.
  • the piston 5 moves to bottom dead center UT, with the exhaust gases then being pushed out of the combustion chamber 8 in a further extension stroke.
  • the time of the fuel injection can be between 150 ° KW and 30 ° KW before ZOT.
  • the fuel ignites through compression heat before ZOT, whereby the focus of combustion is clearly before OT.
  • the focus of the combustion is the piston position or the crank angle, at which a 50% conversion of the fuel mass involved in the combustion has taken place. According to FIG.
  • the pre-injection quantity is so small that the mixture becomes leaner, the ignition only takes place when the main injection quantity is injected, ie the main injection serves as an ignition jet. If the pre-injection quantity is large enough and the mixture does not lean out, the pre-injection quantity is ignited. With compression ratios between 12 and 21 and normal temperature boundary conditions of the intake air temperature, component temperature etc., the ignition takes place well before TDC, which results in a poor combustion center of the pre-injection quantity. Furthermore, the sudden combustion of the mixture leads to high pressure increases and, as a result, to pressure fluctuations. Influence on the ignition and the pressure increase of the pre-injection component, the main injection proportion and their maximum pressures and temperatures is achieved according to the invention by using a cooling liquid, for example water, and preferably in combination with exhaust gas recirculation.
  • a cooling liquid for example water
  • two injection strategies are preferred.
  • the introduction of a cooling medium preferably water or a second fuel with a high enthalpy of vaporization, can be carried out before the ignition of the homogeneous mixture, as a result of which the ignition timing is delayed and the pressure rise is reduced.
  • the cooling medium is introduced after the homogeneous mixture has ignited, which also results in a reduction in the pressure increase.
  • Fig. 4 shows a cylinder pressure curve in the combustion of a homogeneous mixture, in which a shift in the start of ignition and a reduction in the pressure rise is achieved by means of fuel cooling by injecting water in combination with exhaust gas recirculation, so that a shift in the center of gravity of the combustion after TDC while avoiding knocking combustion is achieved.
  • Combustion control by means of EGR and the use of cooling effects on the fuel are carried out.
  • a pre-injection VE is first carried out in a range between 150 ° KW and 30 ° KW before TDC, after which a main injection around top dead center, preferably between 30 ° KW before TDC and 30 ° KW after TDC, takes place.
  • 5 shows the pressure curve of such a combustion from a homogeneous and heterogeneous fraction.
  • a Water injection made so that a cylinder pressure curve according to FIG. 12 takes place.
  • the aim is to shift the start of ignition of the pre-injection quantity, to shift the center of gravity of the pre-injection combustion and to reduce the pressure increase.
  • the maximum combustion chamber temperature is also reduced.
  • FIG. 7 shows a first embodiment of such a fuel / water injection strategy for the internal combustion engine 1 to achieve a combustion chamber pressure curve according to FIG. 12.
  • part of the fuel is first injected into the combustion chamber 8 as a pre-injection, this pre-injection being able to be carried out in the intake and / or compression stroke.
  • a water injection WE is started shortly after the start of the pre-injection VE, which is ended before the end of a main injection HE.
  • the pre-injection carried out ensures good distribution of the fuel in the combustion chamber, so that a homogeneous fuel / air mixture mixed with the injected water is formed.
  • the use of water injection delays the onset of combustion for the pre-injected fuel quantity and reduces the pressure increase, so that the center of gravity of the combustion is shifted to later. Without the use of the amount of water, the center of gravity of the combustion according to FIG. 5 would be too early, as a result of which the efficiency of the internal combustion engine 1 deteriorates.
  • the strong pressure increase also leads to poor noise behavior without the use of water and / or EGR.
  • the fuel pre-injection VE preferably takes place between 150 ° KW and 30 ° KW before TDC.
  • a further quantity of fuel is introduced into the combustion chamber 8 as a main injection HE.
  • the main injection HE preferably takes place between 20 ° KW before TDC and 30 ° KW after TDC.
  • the water injection preferably takes place between 150 ° KW before TDC and 20 ° KW after TDC. Furthermore, after the main injection HE, a small amount of fuel can be injected as a post-injection at a later time.
  • the injection of the amount of water lowers the temperature level and slows down the vaporization of the pre-injected fuel, so that a later start of ignition is achieved.
  • the advantage of this injection strategy is that a combined homogeneous / heterogeneous combustion with auto-ignition is guaranteed in the entire map.
  • the proportions of the pre-injection and the main injection can be varied depending on the load.
  • the injection times of the homogeneous part and the injection times of the heterogeneous part can be selected depending on the load and speed.
  • the injection of the water quantity WE is started only after the pre-injection VE has ended, so that the water quantity is introduced only after the ignition of the homogeneous mixture.
  • the amount of water WE is mixed with the fuel during the pre-injection VE and during the main injection HE within the injector 13 such that the water with the fuel is injected into the combustion chamber 8 as a fuel-water emulsion in accordance with the injection strategy shown in FIG. 9.
  • the aim of this injection strategy is to ensure the desired cooling effect, so that a shift in the start of ignition and a reduction in the pressure increase the pre-injection VE, and the temperature level of the pre-injection and main injection is reduced.
  • the pre-injection VE of the fuel water emulsion takes place between 150 ° KW and 30 ° KW before TDC.
  • the main injection HE of the fuel water emulsion is carried out between 20 ° KW before TDC and 30 ° KW after TDC.
  • the amount of water WE is only added to the pre-injection VE within the injection device, so that, according to FIG. 10, a fuel water emulsion or a fuel / water stratification is introduced into the combustion chamber in the form of a pre-injection.
  • the pre-injection VE of the fuel water emulsion or a fuel / water stratification takes place between 150 ° KW and 30 ° KW before TDC.
  • the main fuel injection HE is carried out between 20 ° KW before TDC and 30 ° KW after TDC.
  • the water quantity of the main injection HE is admixed within the injection device, so that the fuel water emulsion or water / fuel stratification according to FIG. 11 is introduced into the combustion chamber as a main injection HE.
  • the pre-injection VE of the fuel takes place between 150 ° KW and 30 ° KW before TDC.
  • the main injection HE of the fuel water emulsion or water / fuel stratification is carried out between 20 ° KW before TDC and 30 ° KW after TDC.
  • a water / fuel stratification can be carried out in such a way that the amount of water is mixed with the fuel during the pre-injection and / or the main injection within the injector in such a way that the water in the form of a fuel / water / fuel stratification or Force- Material / water stratification or water / fuel stratification is introduced into the combustion chamber.
  • the pressure of the fuel introduced into the combustion chamber is changed during an injection process.
  • the injection pressure of the pre-injection VE can be at a lower level than the injection pressure of the main injection HE. This avoids wetting the combustion chamber walls with fuel, particularly during the pre-injection.
  • a fuel cloud of a fuel jet generated during an injection stroke is displaced or shifted laterally during the pre-injection by means of a swirl movement formed in the combustion chamber, so that during a subsequent injection stroke the newly injected fuel jets do not the fuel cloud of the previous injection stroke penetrate.
  • This achieves optimal homogenization of the pre-injection quantity, which has a positive effect on the pressure increase and thus improves the center of combustion and the noise behavior. If a small pre-injection quantity is used, the better leaning out of the mixture by the swirl can influence the ignition timing of the pre-injection by means of the main injection (ignition jet).
  • the invention is based on a method for operating an internal combustion engine with auto-ignition, in which the fuel is injected directly into the combustion chamber as a pre-injection and main injection and, if necessary, as a post-injection by means of a fuel nozzle with a plurality of injection bores, the pre-injection preferably being clocked follows.
  • a liquid serving as a cooling medium for example water, is introduced into the combustion chamber during the intake and / or compression stroke, so that an increase in pressure in the combustion chamber is reduced and, if necessary, an ignition timing of the pre-injection is delayed.
  • the liquid introduced into the combustion chamber provides cooling on the fuel side, with which the ignition timing of the pre-injection is delayed and the pressure rise is reduced, so that an optimal center of gravity of the combustion is achieved.
  • Exhaust gas recirculation is preferably carried out in order to further reduce the exhaust gas emissions formed, in particular the formation of NOx. If the fuel quantity of the pre-injection is designed in such a way that the pre-injection quantity does not ignite due to an emaciation of the premix, then the ignition timing of the mixture and the pressure increase due to the injected liquid in the combustion chamber during ignition are influenced by means of the main injection made as an ignition jet.

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Abstract

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine aus, bei welcher der Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse mit mehreren Einspritzbohrungen direkt in einen Brennraum als Vor- und Haupteinspritzung und gegebenenfalls als eine Nacheinspritzung einspritzt wird, wobei die Voreinspritzung vorzugsweise getaktet erfolgt. Um die Brennraumtemperatur zu verringern und hohe Brennraumdruckanstiege zu vermeiden, wird eine Wassermenge während oder nach der' Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht.

Description

Brennkraftmaschine mit Selbstzündung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung entstehen prinzipbedingt durch die heterogene Art der Verbrennungsführung zwangsläufig durch die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum sehr hohe Drücke und hohe Verbrennungstemperaturen, durch die insbesondere hohe NOx-Emissionen gebildet werden. Weiterhin entstehen durch die kraftstoffreichen Zonen erhebliche Mengen an Rußpartikeln, die teilweise bei den vorliegenden hohen Temperaturen oxi- diert werden. Um die Nachteile einer solchen heterogenen Art der Verbrennungsführung zu vermeiden, wird für die modernen Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung eine kombinierte homogene/heterogene Betriebsweise angestrebt, mit der eine verbesserte Verbrennung erzielt werden soll.
Aus der EP 509 372 Bl ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein gasförmiger Hauptbrennstoff und ein flüssiger Sekundärbrennstoff verwendet werden, wobei mit dem Sekundärbrennstoff die Zündung des Hauptbrennstoffs eingeleitet wird. Dabei wird der flüssige Sekundärbrennstoff als eine Mischung von Wasser und Brennstoff in Form einer Piloteinspritzung in den Brennraum eingespritzt. Die Vermischung von Wasser mit dem flüssigen Brennstoff dient dazu, dass es der Piloteinspritzung ermöglicht wird, die Zündung des Hauptbrennstoffes einzuleiten, und das Volumen der von der Pumpe eingespritzten Mischung derart zu wählen, dass die Zerstäubung mittels der Einspritzdüse präzise gestaltet werden kann.
Aus der EP 459 083 Bl ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der Wasser und Dieselkraftstoff verwendet werden, welche mittels einer Kraftstoff/ Wassereinspritzvorrichtung in den Brennraum der Brennkraftmaschine derart eingebracht werden, dass zunächst während einer Einspritzung Kraftstoff in einer Menge zwischen 5% oder mehr und 75% oder weniger einer Gesamtkraftstoffeinspritzmenge, anschließend eine vorbestimmte Menge an Wasser und schließlich der restliche Kraftstoff eingespritzt werden. Bei dieser Wasser/Dieselbrennkraftmaschine werden sowohl der Kraftstoff als auch das Wasser über ein einziges Kraftstoffeinspritzven- til in den Brennraum eingespritzt, so dass ein Temperaturanstieg einer Flamme unterdrückt wird, um die Entstehung von NOx-Emissionen zu minimieren.
Nach heutigem Stand der Technik ist eine Steuerung der oben beschriebenen Verbrennung schwer erzielbar, da der Druckanstieg im Brennraum von den Kraftstoffanfeilen der Vor- und Haupteinspritzung, dem Zündzeitpunkt der Voreinspritzung, dem Zündzeitpunkt der Haupteinspitzung sowie von dem Einspritzzeitpunkt der Vor- und Haupteinspritzung abhängt.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung zu schaffen, bei dem eine vollständige Verbrennung und eine gute Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum derart gestaltet werden, dass hohe Brennraumdruckanstiege und hohe Verbrennungstemperaturen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während des Ansaug-, des Kompressions- und/oder des Ex- pansionshubs zur Kühlung eines im Brennraum vorliegenden Gemisches eine Flüssigkeit mit einer hohen Verdampfungsenthalpie in den Brennraum eingebracht wird, so dass ein Druckanstieg im Brennraum verringert und gegebenenfalls ein Zündzeitpunkt der Vor- oder Haupteinspritzung verzögert wird. Somit wird weiterhin eine maximale Temperatur gesenkt. Vorzugsweise wird die kühlende Flüssigkeit mit einer hohen Verdampfungsenthalpie während des Ansaug- und/oder Kompressionshubs in den Brennraum eingebracht. Weiterhin kann der Zündzeitpunkt der Vor- und/oder Haupteinspritzung in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge der Voreinspritzung verzögert werden. Durch die in den Brennraum eingebrachte und als kühlendes Medium dienende Flüssigkeit wird eine kraftstoffseitige Kühlung vorgenommen, mit der der Zündzeitpunkt der Haupteinspitzung verzögert wird, so dass eine optimale Schwerpunktslage der Verbrennung erzielt wird und ein hoher Druckanstieg im Brennraum verringert wird. Vorzugsweise wird eine Abgasrückführung vorgenommen, um weiterhin die gebildeten Abgasemissionen insbesondere die NOx-Bildung noch weiter zu reduzieren.
In Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeit vor oder nach Beginn der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht. Durch eine nahezu gleichzeitige Einspritzung der kühlenden Flüssigkeit wird durch das Vorhandensein der kühlender Flüssigkeit während der Voreinspritzung durch die hohe Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit der angestrebte Kühlungseffekt vor der Zündung des homogenen Gemisches erzielt, welches durch die frühe Voreinspritzung gebildet wird. Dadurch wird der Zündzeitpunkt der Voreinspitzung verzögert, der Druckanstieg im Brennraum verringert und das Temperaturniveau gesenkt .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wird die Flüssigkeit nach Beendigung der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht. Die Einbringung der als kühlendes Medium dienenden Flüssigkeit findet in diesem Fall nach der Zündung des homogenen Gemisches oder nach Beginn der Zündung des homogenen Gemisches statt, wodurch der Druckanstieg im Brennraum sowie eine maximale Temperatur herabgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Einbringung der Flüssigkeit in den Brennraum vor dem Ende der Haupteinspritzung des Kraftstoffes beendet. Hierbei wird durch die Einbringung des kühlenden Mediums sowohl die Verbrennung des homogenen Vorgemisches als auch die Verbrennung des heterogenen Anteils der Haupteinspritzung beein- flusst, so dass der Druckanstieg verringert und das Temperaturniveau gesenkt wird. Dadurch kann der Einspritzbeginn der Einspritzungen und der Druckverlauf der Verbrennung optimiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeit in Form einer Wassermenge in den Brennraum eingebracht. Hierdurch wird dem Kraftstoff bzw. dem im Brennraum vorhandenen Gemisch Wärme entzogen, ohne dass die Gemischzusammensetzung verändert wird. Dies ist insbesondere bei einem Brennverfahren mit Vor-, Haupt- und gegebenenfalls Nacheinspritzung zweckmäßig und sinnvoll, da die Einspritzzeitpunkte sowie Kraftstoffmengen der jeweils vorgenommenen Teileinspritzungen betriebspunktabhängig geregelt werden. Es ist dennoch denkbar, dass erfindungsgemäß statt der Einbringung von Wasser eine andere Flüssigkeit mit einer vergleichbar hohen Verdampfungsenthalpie verwendet wird. Alternativ kann dabei die Einbringung eines zweiten Kraftstoffes vorgenommen werden, der eine vergleichbar hohe Verdampfungsenthalpie wie die vom Wasser aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspitzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasseremulsion in den Brennraum eingebracht wird. Somit wird der angestrebte Kühlungseffekt gewährleistet, da die Vermischung von Wasser und Kraftstoff bereits vor der Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum vorgenommen wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wassermenge mittels einer zusätzlichen Einspritzeinrichtung in den Brennraum eingebracht. Durch die Einbringung des Wassers mit einem separatem Injektor können hohe Kraftstoffeinspritzdrücke vorgenommen werden, ohne dass der Einsatz von Wasser in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung berücksichtigt werden muss .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser/Kraftstoff-Schichtung oder Kraftstoff/Wasser-Schichtung oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung -in den Brennraum eingebracht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Voreinspritzung in einem Kompressionshubbereich von ca. 150° KW bis 30°KW vor dem oberen Totpunkt vorgenommen. Dabei erfolgt die Voreinspritzung vorzugsweise getaktet. Durch die frühe Voreinspritzung und eine ggf. vorgenommene Taktung der Voreinspritzung wird das aus Kraftstoff, Luft und ggf. Abgas bestehende Grundgemisch verstärkt homogenisiert, so dass eine nachfolgende oder gleichzeitige Einbringung der Wassermenge eine gezielte Kühlung erzielen kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Haupteinspritzung und gegebenenfalls die Nacheinspritzung hintereinander um den oberen Totpunkt in einem Bereich von 20°KW vor dem oberen Totpunkt bis 40°KW nach dem oberen Totpunkt vorgenommen. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs während eines Einspritzvorgangs geändert. Hierdurch soll eine Benetzung der Brennraumwände mit Kraftstoff vermieden werden. Vorzugsweise wird der Einspritzdruck betriebspunktabhängig und/oder gemäß einem im Brennraum herrschenden Gegendruck variiert, so dass die Kraftstoffwandbenetzung minimiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Voreinspritzung getaktet vorgenommen, wobei während der Voreinspritzung mittels einer im Brennraum gebildeten Drallbewegung eine während eines Einspritztaktes erzeugt Kraftstoffwolke eines KraftstoffStrahles versetzt oder seitlich verschoben wird, so dass bei einem nachfolgendem Einspritztakt die neu eingespritzten Kraftstoffstrahlen nicht in die Kraftstoffwolke der vorangegangen Einspritztaktes eindringen. Hierdurch soll eine Benetzung der Brennraumwände mit Kraftstoff vermieden und eine stärkere Homogenisierung der voreingespritzten Kraftstoffmenge erzielt werden.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbstzündung,
Fig. 2 ein Diagramm für einen schematischen Zylinderdruckverlauf bei einer Verbrennung eines homogenen Gemisches der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 ohne Verwendung eines kühlenden Mediums und/oder Abgasrückführung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Kraftstoffein- spritzzeiten der Verbrennung gemäß Fig. 2, Fig. 4 ein Diagramm für einen schematischen Zylinderdruckverlauf der Brennkraftmaschine aus Fig. 1 bei einer Verbrennung eines homogenen Gemisches mit Abgasrückführung und einer Wassereinspritzung,
Fig. 5 ein Diagramm für einen schematischen Zylinderdruckverlauf einer homogen/heterogenen kombinierten Verbrennung der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 ohne Verwendung eines kühlenden Mediums und/oder Abgasrückführung,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffein- spritzstrategie der Verbrennung nach Fig. 5,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffein- spritzstrategie einer homogen/heterogenen kombinierten Verbrennung mit einer Wassereinspritzung der Brennkraftmaschine nach Fig. 1,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß Fig. 7,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß Fig. 7,
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß Fig. 7,
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Verbrennung gemäß Fig. 7 , und
Fig. 12 ein Diagramm für einen Zylinderdruckverlauf einer homogen/heterogenen kombinierten Verbrennung der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 mit einer Wassereinspritzung. Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, bei der eine Kurbelwelle 2 durch einen in einem Zylinder 9 geführten Kolben 5 ü- ber eine Pleuelstange 4 angetrieben wird. Zwischen dem Kolben 5 und einem Zylinderkopf 10 wird im Zylinder 9 ein Brennraum 8 gebildet, der vorzugsweise eine in den Kolbenboden 7 eingebrachte Kolbenmulde 6 umfasst. Bei der Drehung einer Kurbel 3 der Kurbelwelle 2 auf einem Kurbelkreis 11 im Uhrzeigersinn verkleinert sich der Brennraum 8, wobei die in ihm eingeschlossenen Luft verdichtet wird. Der Ladungswechsel im Brennraum 8 erfolgt über nicht dargestellte Gaswechselventile, die im Zylinderkopf 10 angeordnet sind.
Mit dem Erreichen eines oberen Totpunktes 12 der Kurbel 3, nachfolgend mit OT bezeichnet, ist das Ende der Verdichtung erreicht, bei dem der Brennraum 8 sein kleinstes Volumen annimmt. Die aktuelle Lage des Kolbens 5 wird durch den Kurbelwinkel φ in Bezug auf OT bestimmt. Eine Mehrlocheinspritzdüse 13 ist im Zylinderkopf 10 nahezu zentral angeordnet, wobei sie über eine Signalleitung 15 und einen Aktuator 14, beispielsweise einen piezoelektrischen oder einen hydraulischen Aktuator, von einer elektronischen Steuereinheit 16 einer Motorsteuerung angesteuert wird.
Die Brennkraftmaschine 1 arbeitet nach dem 4-Takt-Prinzip. Ein Zylinderdruckverlauf einer homogenen Verbrennung der Brennkraftmaschine 1 mit Selbstzündung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei gemäß Fig. 3 die entsprechenden Kraftstoffeinspritzzeiten dargestellt sind. In einem ersten Ansaugtakt bzw. Ansaughub bewegt sich der Kolben 5 in einer Abwärtsbewegung vom oberen Totpunkt 12 bis zu einem unteren Totpunkt UT. Dabei wird über einen nicht dargestellten Einlasskanal dem Brennraum 8 Verbrennungsluft zugeführt. Vorzugsweise wird eine bestimmte Menge an Abgas aus einem vorherigen Arbeitsspiel durch ein Abgasrückführungsventil der dem Brennraum 8 zugeführten Verbrennungsluft beigemischt. In einem zweiten Kompressionshub bzw. Verdichtungstakt bewegt sich der Kolben 5 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT bis zu einem oberen Zündtotpunkt ZOT, wobei kurz vor ZOT Kraftstoff in den mit komprimierter Luft gefüllten Brennraum 8 eingespritzt wird. In einem nachfolgenden Expansionstakt bewegt sich der Kolben 5 bis zum unteren Totpunkt UT, wobei in einem weiteren Ausschiebetakt dann die Abgase aus dem Brennraum 8 ausgeschoben werden. Der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung kann gemäß Fig. 3 zwischen 150 °KW und 30°KW vor ZOT liegen. Der Kraftstoff zündet durch Kompressionswärme vor ZOT, wobei der Schwerpunkt der Verbrennung deutlich vor OT liegt. Der Schwerpunkt der Verbrennung ist die Kolbenlage bzw. die Kurbelwinkelangabe, bei der eine 50% Umsetzung des an der Verbrennung beteiligten Kraftstoffmasse stattgefunden hat. Gemäß Fig. 2 liegt eine Verbrennung mit sehr starkem Druckanstieg vor, was zu Druckschwingungen und schlechtem Geräuschverhalten führt. Durch die ungünstige Lage der Verbrennung bzw. den unvorteilhaften Schwerpunkt der Verbrennung wird ein schlechter Wirkungsgrad erzielt. Ist die Zeit zur Homogenisierung zu gering, entstehen zusätzlich hohe NOx- Emissionen.
In Abhängigkeit von der Voreinspritzmenge findet eine unterschiedliche Zündung statt. Ist die Voreinspritzmenge so gering, dass eine Ausmagerung des Gemischs stattfindet, so erfolgt die Zündung erst mit der Einspritzung der Haupteinspritzmenge, d.h. die Haupteinspritzung dient als ein Zündstrahl. Ist die Voreinspritzmenge groß genug und das Gemisch magert nicht aus, so kommt es zu einer Zündung der Voreinspritzmenge. Bei Verdichtungsverhältnissen zwischen 12 und 21 und normalen Temperaturrandbedingungen der Ansauglufttemperatur, Bauteiltemperatur etc. erfolgt die Zündung deutlich vor OT, was einen schlechten Verbrennungsschwerpunkt der Voreinspritzmenge zur Folge hat. Des Weiteren führt die schlagartige Verbrennung des Gemischs zu hohen Druckanstiegen und daraus resultierend zu Druckschwingungen. Einfluss auf die Zündung und den Druckanstieg des Voreinspritzanteils, des Haupt- einspritzanteils sowie deren maximalen Drücke und Temperaturen wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer kühlenden Flüssigkeit, z.B. Wasser, und vorzugsweise in Kombination mit Abgasrückführung erzielt.
Gemäß der Erfindung werden sind zwei Einspritzstrategien bevorzugt. Bei der ersten Variante kann die Einbringung eines kühlenden Mediums, vorzugsweise Wasser oder ein zweiter Kraftstoff mit einer hohen Verdampfungsenthalpie, vor der Zündung des homogenen Gemischs vorgenommen werden, wodurch eine Verzögerung des Zündzeitpunktes sowie eine Verringerung des Druckanstiegs erfolgt. Bei der zweiten Variante findet die Einbringung des kühlenden Mediums nach der Zündung des homogenen Gemischs statt, wodurch ebenso eine Verringerung, des Druckanstiegs erfolgt.
Fig. 4 zeigt einen Zylinderdruckverlauf bei der Verbrennung eines homogenen Gemischs, bei der eine Verschiebung des Zündbeginns und eine Reduzierung des Druckanstiegs mittels einer Kraftstoffkühlung durch Einspritzung von Wasser in Kombination mit Abgasrückführung erzielt wird, so dass eine Verschiebung des Schwerpunkts der Verbrennung nach OT unter Vermeidung einer klopfenden Verbrennung erreicht wird. Dabei wird eine Verbrennungssteuerung mittels AGR und die Ausnutzung von Kühleffekten beim Kraftstoff vorgenommen.
In Fig. 6 ist eine Einspritzstrategie einer aus homogenem Anteil und heterogenem Anteil kombinierten Verbrennung dargestellt. Hierbei wird zuerst in einem Bereich zwischen 150 °KW und 30°KW vor OT eine Voreinspritzung VE vorgenommen, wobei anschließend eine Haupteinspritzung um den oberen Totpunkt, vorzugsweise zwischen 30°KW vor OT und 30°KW nach OT, stattfindet. In Fig. 5 ist der Druckverlauf einer solchen Verbrennung aus homogenem und heterogenem Anteil dargestellt.
Um eine homogen/heterogene kombinierte Verbrennung gemäß der in Fig. 5 dargestellten Verbrennung zu optimieren, wird eine Wassereinspritzung vorgenommen, so dass ein Zylinderdruckverlauf gemäß Fig. 12 erfolgt. Ziel ist dabei, eine Verschiebung des Zündbeginns der Voreinspritzmenge, eine Schwerpunktsverschiebung der Voreinspritzverbrennung und eine Reduzierung des Druckanstiegs zu erreichen. Des Weiteren wird die maximale Brennraumtemperatur verringert.
Es ist denkbar, dass statt Wasser eine andere Flüssigkeit mit einer vergleichbar hohen Verdampfungsenthalpie verwendet wird. Alternativ kann die Einbringung eines zweiten Kraftstoffes anstelle der Wassereinspritzung vorgenommen werden, der ebenfalls eine vergleichbar hohe Verdampfungsenthalpie wie die vom Wasser aufweist.
In Fig. 7 ist eine erste Ausführungsform einer solchen Kraftstoff/Wassereinspritzstrategie für die Brennkraftmaschine 1 zur Erzielung eines Brennraumdruckverlaufes gemäß Fig. 12 dargestellt. Dabei wird im Kompressionshub zuerst ein Teil des Kraftstoffes als eine Voreinspritzung in den Brennraum 8 eingespritzt, wobei diese Voreinspritzung im Ansaug- und/oder Kompressionshub vorgenommen werden kann. Eine Wassereinspritzung WE wird kurz nach Beginn der Voreinspritzung VE begonnen, wobei diese vor dem Ende einer Haupteinspritzung HE beendet wird. Durch die vorgenommene Voreinspritzung wird eine gute Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum erzielt, so dass ein mit dem eingespritzten Wasser vermischtes homogenes Kraftstoffluftgemisch gebildet wird. Durch den Einsatz der Wassereinspritzung wird das Einsetzen der Verbrennung bei der voreingespritzten Kraftstoffmenge verzögert und der Druckanstieg verringert, so dass die Schwerpunktlage der Verbrennung nach später verschoben wird. Ohne den Einsatz der Wassermenge würde die Schwerpunktlage der Verbrennung gemäß Fig. 5 zu früh liegen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 verschlechtert. Der starke Druckanstieg führt zusätzlich ohne den Einsatz von Wasser und/oder AGR zu schlechtem Geräuschverhalten. Vorzugsweise findet die Kraftstoffvor- einspritzung VE zwischen 150 °KW und 30°KW vor OT statt. An- schließend wird in einem Bereich um den oberen Zünd-Totpunkt ZOT eine weitere Kraftstoffmenge in den Brennraum 8 als eine Haupteinspritzung HE eingebracht. Die Haupteinspritzung HE findet vorzugsweise zwischen 20°KW vor OT und 30°KW nach OT statt. Vorzugsweise findet die Wassereinspritzung zwischen 150 °KW vor OT und 20°KW nach OT statt. Weiterhin kann nach der Haupteinspritzung HE eine kleine Menge an Kraftstoff als eine Nacheinspritzung zu einem späteren Zeitpunkt eingespritzt werden.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird durch die Einspritzung der Wassermenge das Temperaturniveau gesenkt und das Verdampfen des voreingespritzten Kraftstoffs verlangsamt, so dass ein späterer Zündbeginn erzielt wird. 'Der Vorteil dieser Einspritzstrategie liegt darin, dass eine kombinierte homogene/heterogene Verbrennung mit Selbstzündung im ganzen Kennfeld gewährleistet ist. Dadurch können die Anteile der Vor- sowie der Haupteinspritzung lastabhängig variiert werden. Weiterhin können die Einspritzzeitpunkte des homogenen Anteils und die Einspritzzeitpunkte des heterogenen Anteils last- und drehzahlabhängig gewählt werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzstra- tegie gemäß Fig. 8 wird mit der Einspritzung der Wassermenge WE erst nach Beendigung der Voreinspritzung VE begonnen, so dass die Einbringung der Wassermenge erst nach der Zündung des homogenen Gemisches vorgenommen wird.
Gemäß einer dritten Ausführungsform wird die Wassermenge WE dem Kraftstoff während der Voreinspritzung VE und während der Haupteinspritzung HE innerhalb der Einspritzeinrichtung 13 derart beigemischt, dass das Wasser mit dem Kraftstoff als eine Kraftstoffwasseremulsion in den Brennraum 8 gemäß der in Fig. 9 dargestellten Einspritzstrategie eingespritzt werden. Ziel dieser Einspritzstrategie ist, dass der angestrebte Kühlungseffekt sichergestellt wird, so dass eine Verschiebung des Zündbeginns und eine Reduzierung des Druckanstiegs bei der Voreinspritzung VE, sowie das Temperaturniveau der Vor- und Haupteinspritzung verringert wird. Dabei findet die Voreinspritzung VE der Kraftstoffwasseremulsion zwischen 150 °KW und 30°KW vor OT statt. Die Haupteinspritzung HE der Kraftstoffwasseremulsion wird zwischen 20°KW vor OT und 30 °KW nach OT vorgenommen.
Es ist denkbar, dass gemäß einer vierten Ausführungsform die Wassermenge WE nur der Voreinspritzung VE innerhalb der Einspritzeinrichtung beigemischt wird, so dass gemäß Fig. 10 eine Kraftstoffwasseremulsion oder einer Kraftstoff/Wasser- Schichtung in den Brennraum in Form einer Voreinspritzung eingebracht wird. Dabei findet die Voreinspritzung VE der Kraftstoffwasseremulsion oder einer Kraftstoff/Wasser- Schichtung zwischen 150 °KW und 30°KW vor OT statt. Die Haupteinspritzung HE des Kraftstoffes wird zwischen 20°KW vor OT und 30 °KW nach OT vorgenommen.
Weiterhin ist es denkbar, dass gemäß einer fünften Ausführungsform die Wassermenge der Haupteinspritzung HE innerhalb der Einspritzeinrichtung beigemischt wird, so dass die Kraftstoffwasseremulsion oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung gemäß Fig. 11 in den Brennraum als eine Haupteinspritzung HE eingebracht wird. Dabei findet die Voreinspritzung VE des Kraftstoffes zwischen 150°KW und 30°KW vor OT statt. Die Haupteinspritzung HE der Kraftstoffwasseremulsion oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung wird zwischen 20°KW vor OT und 30°KW nach OT vorgenommen.
Gemäß der Erfindung kann bei allen Ausführungsformen eine Wasser/Kraftstoff-Schichtung derart vorgenommen, dass die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt wird, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser/Kraftstoff-Schichtung oder Kraft- Stoff/Wasser-Schichtung oder Wasser/Kraftstoff-Schichtung in den Brennraum eingebracht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Druck des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffes während eines Einspritzvorgangs geändert. Dabei kann beispielsweise der Einspritzdruck der Voreinspritzung VE auf einem niedrigeren Niveau liegen als der Einspritzdruck der Haupteinspritzung HE. Dadurch wird eine Benetzung der Brennraumwände insbesondere während der Voreinspritzung mit Kraftstoff vermieden. Vorzugsweise herrscht während der Haupteinspritzung weiterhin ein höherer Kraftstoffdruck als während einer wahlweise vorgenommenen Nacheinspritzung.
Um eine intensive Homogenisierung der voreingespritzten Kraftstoffmenge zu erzielen, wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform während der Voreinspritzung mittels einer im Brennraum gebildeten Drallbewegung eine während eines Einspritztaktes erzeugte Kraftstoffwolke eines KraftstoffStrahles versetzt oder seitlich verschoben, so dass bei einem nachfolgendem Einspritztakt die neu eingespritzten Kraftstoffstrahlen nicht in die Kraftstoffwolke der vorangegangen Einspritztaktes eindringen. Dadurch wird eine optimale Homogenisierung der Voreinspritzmenge erzielt, was sich positiv auf den Druckanstieg auswirkt und somit die Verbrennungsschwerpunktslage sowie das Geräuschverhalten verbessert. Wird eine geringe Voreinspritzmenge verwendet, kann über das bessere Ausmagern des Gemischs durch den Drall, mittels der Haupteinspritzung Einfluss auf den Zündzeitpunkt der Voreinspritzung genommen werden (Zündstrahl) .
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung aus, bei welcher der Kraftstoff mittels einer Kraftstoffdüse mit mehreren Einspritzbohrungen direkt in den Brennraum als Vor- und Haupteinspritzung und ggf. als eine Nacheinspritzung eingespritzt wird, wobei die Voreinspritzung vorzugsweise getaktet er- folgt. Um die Verbrennung optimal zu gestalten, wird während des Ansaug- und/oder Kompressionshubes eine als kühlendes Medium dienende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, in den Brennraum eingebracht, so dass ein Druckanstieg im Brennraum verringert und ggf. ein Zündzeitpunkt der Voreinspritzung verzögert wird. Durch die in den Brennraum eingebrachte Flüssigkeit wird eine kraftstoffseitige Kühlung vorgenommen, mit der der Zündzeitpunkt der Voreinspitzung verzögert und der Druckanstieg verringert wird, so dass eine optimale Schwerpunktslage der Verbrennung erzielt wird. Vorzugsweise wird eine Abgasrückführung vorgenommen, um weiterhin die gebildeten Abgasemissionen insbesondere die NOx-Bildung noch weiter zu reduzieren. Falls die Kraftstoffmenge der Voreinspritzung derart gestaltet wird, dass eine Zündung der Voreinspritzmenge aufgrund einer Ausmagerung des Vorgemisches nicht stattfindet, dann wird der Zündzeitpunkt des Gemischs sowie der Druckanstieg durch die eingespritzte Flüssigkeit im Brennraum bei der Zündung mittels der als Zündstrahl vorgenommenen Haupteinspritzung beeinflusst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, bei der
Kraftstoff mittels einer Einspritzeinrichtung, welche vorzugsweise eine Mehrlochdüse aufweist, direkt in einen Brennraum derart eingespritzt wird, dass zuerst ein Teil des Kraftstoffes im Ansaug- und/oder Kompressionshub als eine Voreinspritzung in den Brennraum eingespritzt wird, und weiterer Kraftstoff als eine Haupteinspritzung und gegebenenfalls als eine Nacheinspritzung zu einem späteren Zeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ansaug-, des Kompression- und/oder des Expansionshubs zur Kühlung eines im Brennraum vorliegenden Gemisches eine Flüssigkeit mit einer hohen Verdampfungsenthalpie in den Brennraum eingebracht wird, so dass ein Druckanstieg im Brennraum verringert und gegebenenfalls ein Zündzeitpunkt der Vor- oder Haupteinspritzung verzögert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit vor oder nach Beginn der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit nach Beendigung der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Flüssigkeit in den Brennraum vor dem Ende der Haupteinspritzung des Kraftstoffes beendet wird.
5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Brennraum eingebrachte Flüssigkeit eine Wassermenge ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt wird, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser- Emulsion in den Brennraum eingebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge mittels einer zusätzlichen Einspritzeinrichtung in den Brennraum eingebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge dem Kraftstoff während der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung innerhalb der Einspritzeinrichtung derart beigemischt wird, dass das Wasser in Form einer Kraftstoff/Wasser/Kraftstoff-Schichtung oder Kraftstoff/Wasser-Schichtung oder Wasser/Kraftstoff- Schichtung in den Brennraum eingebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung in einem Kompressionshubbereich von ca. 150 °KW bis 30°KW vor dem oberen Totpunkt vorgenommen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung und gegebenenfalls die Nacheinspritzung hintereinander um den oberen Totpunkt in einem Bereich von 20°KW vor dem oberen Totpunkt bis 40°KW nach dem oberen Totpunkt vorgenommen werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs während eines Einspritzvorgangs geändert wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung getaktet vorgenommen wird, wobei während der Voreinspritzung mittels einer im Brennraum gebildeten Drallbewegung eine während eines Einspritztaktes erzeugte Kraftstoffwolke eines KraftstoffStrahls versetzt oder seitlich verschoben wird, so dass bei einem nachfolgenden Einspritztakt die neu eingespritzten Kraftstoffstrahlen nicht in die Kraftstoffwolke der vorangegangenen Einspritztaktes eindringen.
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