AT500024A2 - Verfahren zum betreiben einer mit gasförmigem kraftstoff betriebenen brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum eingebrachten Brenn-gas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer eingeleitet wird, wobei in der Vorkammer ein Kraft-stoff/Luftgemisch erzeugt wird, welches gegen Ende des Kompressionstaktes durch einen Selbstzündungsvorgang eines flüssigen Kraftstoffes verbrennt
Aus der AT 006.290 Ul ist ein Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine bekannt, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum eingebrachten Brenngas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer eingeleitet wird. In der Vorkammer wird ein homogenes Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt und das in der Vorkammer enthaltene homogene Kraftstoff/Luftgemisch gegen Ende des Kompressionstaktes spontan und homogen durch einen Selbstzündungsvorgang verbrannt. Dadurch können Emissionen möglichst gering gehalten werden und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
Brennverfahren mit Vorkammer kommen unter Anderem in mager (das heißt mit hohem Luft/Kraftstoffverhältnis) betriebenen Gasmotoren ab einem gewissen Zylinderhubvolumen zur Anwendung. Der Vorteil einer Verbrennungseinleitung in der Vorkammer statt direkt im Hauptbrennraum ist, dass auch bei hohen Luft/Kraftstoffverhältnissen geringe Zündenergien ausreichen, um eine effiziente und dennoch schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderladung sicherzustellen.
Das Brenngas/Luftgemisch strömt dabei während des Verdichtungstaktes aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer, so dass in dieser ein brennbares Gemisch zur Verfügung steht. Zur Entflammung des Brenngas/Luftgemisches werden herkömmlicherweise elektrische Zündsysteme oder Zündstrahlverfahren angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich reines Brenngas oder Brenngas/Luftgemisch in die Vorkammer eingebracht, um am Ort der Verbrennungseinleitung ein im Vergleich zum Hauptbrennraum deutlich fetteres und somit zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben. Während bei den elektrischen Zündsystemen die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze erfolgt, wird bei dem Zündstrahlverfahren eine kleine Menge flüssigen Brennstoffes unter hohem Druck in die Vorkammer eingespritzt. Dieser entzündet sich • · · I · ·· I t · • ·· · ·« ··· · IM« ······ · · # · ······ ·§· · i« ·· ·· •••«2*-*** bei ausreichend hohen Verdichtungstemperaturen selbst und initialisiert in weiterer Folge die Verbrennung des Brenngas/Luftgemisches.
Das im Hauptbrennraum befindliche Brenngas/Luftgemisch wird durch aus der Vorkammer strömende Flammenfackeln entflammt.
Aus der DE 44 19 429 Al ist ein Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverdichtenden, aufgeladenen Gasmotors bekannt, bei dem zum Betrieb in die Vorkammer hochverdichteter, gasförmiger Brennstoff eingeblasen und dort zur Entzündung gebracht wird. Die Einblasung erfolgt dabei unter einem Druck von etwa 250 bis 300 bar. Dies erfordert relativ aufwendige Einblasesysteme. Die hohe Verdichtung des Brennstoffes bedeutet einen zusätzlichen Arbeitsaufwand und damit auch einen zusätzlichen Wirkungsgradverlust.
Der Nachteil von elektrisch- und zündstrahlgezündeten Verfahren ist, dass in der Vorkammer verstärkt Stickoxide und unter Umständen auch beträchtliche Partikelmengen entstehen, die zu entsprechend hohen motorischen Emissionen dieser Schadstoffe führen. Hinsichtlich dieser Emissionen optimierte Konzepte weisen wiederum den Nachteil auf, dass die Energie der aus der Vorkammer ausströmenden Flammenfackeln gering ist und somit die Verbrennung im Hauptbrennraum langsam und mit einem schlechten Wirkungsgrad abläuft. Im Besonderen haben die elektrisch gezündeten Konzepte den weiteren erheblichen Nachteil einer begrenzten Lebensdauer der Zündkerze.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades und eine Verringerung der Emissionen zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass während eines Arbeitszyklus mehrmals flüssiger Kraftstoff in die Vorkammer eingespritzt wird. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest eine erste Einspritzung zu Beginn des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 180° vor dem oberen Totpunkt der Zündung bis unmittelbar vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt erfolgt, wobei vorzugsweise zumindest eine zweite Einspritzung in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30° vor dem oberen Totpunkt bis zum oberen Totpunkt erfolgt.
Die Menge des Kraftstoffes der ersten Einspritzung kann dabei größer als die Menge des Kraftstoffes bei der zweiten Einspritzung sein.
Dadurch, dass die erste Einspritzung in einer frühen Phase des Verdichtungstaktes erfolgt, wird eine weitegehende Homogenisierung des Kraft-stoff/Luftgemisches in der Vorkammer erzielt. Die zweite Kraftstoffeinspritzung • ·· ·· «« ♦ · · • · · · ·· ··· # · t ι ι ·····« ··· · ······ · · · · Μ «· « * ··· · · * im Bereich des oberen Totpunktes der Zündung dient der eigentlichen Zündung, wobei zur Zündung eine sehr kleine Menge Kraftstoff ausreicht.
Durch die Mehrfacheinspritzung und die geringe zweite Einspritzmenge sind im Zündungszeitpunkt nur wenige inhomogene Gemischanteile in der Vorkammer vorhanden, wodurch der Kraftstoff in der Vorkammer sehr schnell und schadstoffarm verbrennen kann. Dies wirkt sich einerseits vorteilhaft auf die Partikel-und ΝΟχ-Emissionen aus und bewirkt andererseits, dass mehr Energie in der Vorkammer für eine schnellere Verbrennung im Hauptbrennraum zur Verfügung steht. In Folge höherer Mitteldrücke können höhere Wirkungsgrade erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch einen Zylinder 1 mit einen hin- und hergehenden Kolben 2 einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine. Das Brenngas/Luftgemisch strömt über den Einlasskanal 3 bei geöffnetem Einlassventil 4 in den Hauptbrennraum 5 und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges in die Vorkammer geschoben. In die Vorkammer wird über die Einspritzvorrichtung 7 Kraftstoff mehrmalig eingespritzt, wobei eine erste Einspritzung des Kraftstoffes zu Beginn des Kompressionstaktes, in einem Bereich zwischen 180° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zündung und bis unmittelbar vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt erfolgt. Diese frühe Kraftstoffeinspritzung bewirkt, dass in der Vorkammer 6 ein weitgehend homogenes Kraft-stoff/Luftgemisch gebildet wird. Die eigentliche Zündung erfolgt durch eine zweite Einspritzung des Kraftstoffes über die Einspritzeinrichtung 7 im Bereich des oberen Totpunktes der Zündung, wobei die Menge der zweiten Kraftstoffeinspritzung nur sehr gering ist. Dadurch lassen sich die Emissionen zu Folge der zweiten Einspritzung möglichst klein halten. Bei sehr hohen Brennraumtemperaturen kann es aber auch vorteilhaft sein, die Menge der ersten Kraftstoffeinspritzung im Vergleich zur zweiten Einspritzung klein zu halten, um eine zu frühe Entzündung zu vermeiden.
Die Vorkammer 6 ist mit dem Hauptbrennraum 5 über eine oder mehrere Bohrungen 8 strömungsverbunden. Durch die zweite Kraftstoffeinspritzung wird das in der Vorkammer 6 befindliche homogene Kraftstoff/Luftgemisch gegen Ende der Verdichtung, also kurz bevor der Kolben 2 den oberen Totpunkt der Zündung erreicht, entzündet, wobei das gesamte Gemisch in der Vorkammer 6 verbrennt. Um diesen Selbstzündungsvorgang verlässlich einleiten zu können, kann eine Beheizung der Wände der Vorkammer 6 durch eine Heizeinrichtung 9 und/oder eine Wärmeisolierung vorgesehen sein. • · · I · fr fr · ·· • fr fr « «fr ··· fr · · * · • fr fr fr fr fr fr fr fr · fr · fr fr fr · I · · · * fr «fr fr* Ml β *··
Als Zündhilfe kann beim Startvorgang gegebenenfalls eine Zünd- und Glühkerze 10 verwendet werden, welche in der Vorkammer 6 oder im Hauptbrennraum 5 angebracht ist.
Die besonders rasche Verbrennung in der Vorkammer 6 führt zu einem starken Druckanstieg und zu sehr energiereichen Flammenfackeln mit einem äußerst hohen Impuls, die in weiterer Folge das Luft/Brenngasgemisch im Hauptbrennraum 5 entzünden. Die Verbrennung im Hauptbrennraum 5 ist wie die Verbrennung in der Vorkammer 6 durch den Lauf einer Flammenfront charakterisiert.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich sowohl durch kleinste Emissionen (vor allem hinsichtlich NOx und Partikel) als auch durch sehr hohe Wirkungsgrade aus. Die geringen Emissionen ergeben sich dadurch, dass der inhomogene Dieselanteil reduziert ist und NOx und Partikel nur in geringsten Mengen gebildet werden, wobei im Hauptbrennraum 5 diese Schadstoffe durch ein ausreichend großes Luftverhältnis ebenfalls klein gehalten werden können. Trotz des hohen Luftverhältnisses im Hauptbrennraum 5 ist durch diese energiereichen, von der Vorkammer 6 in den Hauptbrennraum 5 überströmenden Flammenfackeln eine rasche Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad sichergestellt.
Somit können höchste Wirkungsgrade bei gleichzeitig minimalen NOx- und Partikelemissionen ermöglicht werden.

Claims (5)

  1. 7 • · * ·« ·· · ·· • ·· · · * ··· · · · + · ······ · · · · «···«· · · * · k* * * » * * » k _ * * ® PATENTANSPRÜCH E 1. Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum eingebrachten Brenn-gas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraft-stoff/Luftgemisches in einer Vorkammer eingeleitet wird, wobei in der Vorkammer ein Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird, welches gegen Ende des Kompressionstaktes durch einen Selbstzündungsvorgang eines flüssigen Kraftstoffes verbrennt, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Arbeitszyklus mehrmals flüssiger Kraftstoff in die Vorkammer eingespritzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Einspritzung zu Beginn des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 180° vor dem oberen Totpunkt der Zündung bis unmittelbar vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Einspritzung in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30° vor dem oberen Totpunkt bis zum oberen Totpunkt erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffmenge einer ersten Einspritzung größer ist als die Kraftstoffmenge einer zweiten Einspritzung.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Einspritzung in der Vorkammer ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird.
    Dipl.-Ing. Mag. Michael Babelul· A-1150 Wien, Mariahilfer Gürtel 39/1 > Tel.; (+43 1) 892 89 33-0 Fax: (+43 1) 892 89 333 2005 07 14 Fu/Sc e-mäil: päteritObäbelökät
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