DE10009180C2 - Verfahren zur Erzeugung eines homogenen Gemischs für selbstzündende Brennkraftmaschinen und zur Steuerung des Verbrennungsprozesses - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung eines homogenen Gemischs für selbstzündende Brennkraftmaschinen und zur Steuerung des VerbrennungsprozessesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines
homogenen Gemischs für selbstzündende Brennkraftmaschine und zur
Steuerung des Verbrennungsprozesses gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Bei der Verbrennung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs
wird durch eine dezentrale Aktivierung eine parallele
Energiefreisetzung erzielt im Gegensatz zu bisher üblichen Prozessen,
bei welchen durch eine zentrale Aktivierung mittels einer Zündquelle
(Otto-Prozess) oder mittels Einspritzung (Diesel-Prozess) eine serielle
Verbrennung der Ladung mit sich allmählich ausbreitender
Flammenfront stattfindet. Besondere Vorteile bei der homogenen
Verbrennung durch dezentrale Aktivierung der Ladung ergeben sich
aus dem global geringeren Temperaturniveau, d. h. lokale
Spitzentemperaturen werden vermieden. Daraus resultieren geringere
NOx-Emissionen. Durch die homogene Verteilung des Kraftstoffs
sinken die Rußemissionen und durch vollständige Oxidation von C zu
CO2 können Vorteile im Kraftstoffverbrauch erzielt werden.
Bei der Bildung eines Gemischs aus Kraftstoff und Luft ist daher
ein homogenes Gemisch im Hinblick auf einen abgas- und
verbrauchsoptimierten Verbrennungsprozess erstrebenswert. Bei
Diesel-Brennkraftmaschinen erfolgt die Verbrennung idealerweise
durch Selbstzündung eines mehr oder weniger homogenen Gemischs
aus Dieselkraftstoff und Luft. Es gibt Ansätze, diese homogene
Gemischbildung sowohl im Saugrohr wie auch im Brennraum zu
verwirklichen.
Die DE 692 18 342 T2 offenbart ein Verfahren zur Förderung der
Zerstäubung von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine mit gesteuerter
Zündung. Während der Einlassphasen findet eine gesteuerte
Rückführung von heißen Abgasen statt. Durch die Injektion von
Kraftstoff in den Strom der zurückgeführten Abgase wird eine
verbesserte Zerstäubung des Kraftstoffs durch die hohen
Abgastemperaturen erzielt. Dafür ist ein Kraftstoffinjektor in einem
Bereich angeordnet, den die heißen zurückgeführten Abgase vor ihrer
Vermischung mit der Frischluft durchströmen.
Als Problem hat sich allerdings die hohe Siedetemperatur und
der weite Siedebereich von Dieselkraftstoff herausgestellt, so daß
beispielsweise bei Kompressionshub-einspritzung bzw.
Saugrohreinspritzung mit ansonsten unveränderten Steuerzeiten der
Einlaß- und Auslaßventile die Zeit zur Verdampfung aller Komponenten
des Dieselkraftstoffs zu kurz und die Temperaturen zu niedrig sind.
Außerdem geschieht die Zündung aufgrund der hohen Cetanzahl von
Dieselkraftstoff zu früh und deshalb nicht wirkungsgradoptimal. Ein
weiteres Problem besteht in einer schnellen Umsetzung des
homogenen Gemischs und dem damit einhergehenden hohen
Druckanstieg.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Erzeugung eines homogenen Gemischs für
selbstzündende Brennkraftmaschinen und zur Steuerung des
Verbrennungsprozesses zur Verfügung zu stellen, bei welchem ein
unkontrolliertes, zu frühes Zünden des Gemischs verhindert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Kombination von Abgasrückfüh
rung bzw. Abgasrückhaltung mit einer Einspritzung von Kraftstoff in das
rückgeführte bzw. rückgehaltene Abgas und einer anschließenden
Kühlung des Kraftstoff-Luft-Gemischs sind zwei Parameter zur Steue
rung des Verbrennungsprozesses gegeben, um eine optimale Lage der
Verbrennungsschwerpunktes und geringere Druckanstiege zu erzielen.
Zum einen wird Kraftstoff in das rückgehaltene oder rückgeführ
te, heiße Abgas des vorangehenden Verbrennungszyklusses einge
spritzt, um ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erhalten. Hierbei
bildet die Menge und Temperatur bzw. die Energie des rückgehaltenen
bzw. rückgeführten Abgases eine wesentliche Stellgröße, durch welche
der Verbrennungsprozeß, insbesondere der Beginn und die Dauer der
Umsetzung/Verbrennung oder der Schwerpunktlage der Ladung, steu
er- und regelbar ist.
Zum andern wird das rückgehaltene bzw. rückgeführte Abgas
gekühlt, um eine zu frühe Zündung zu verhindern. Die Kühlung senkt
die Verdichtungsendtemperatur und verhindert durch Einfrieren der
Vorreaktionen unkontrolliertes, zu frühes Zünden der homogenen La
dung. Das gekühlte, rückgeführte oder rückgehaltene Abgas wirkt als
Inhibitor und sorgt damit für eine sanfte Verbrennung. Darüber hinaus
wird der Verbrennungsschwerpunkt wirkungsgradoptimal nach hinten
verschoben. Die Lastregelung kann dann durch Variation der einge
spritzten Kraftstoffmenge erfolgen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patent
anspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme erfolgt
das Abkühlen des homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs durch eine Ex
pansionskühlung mittels spätem Einlaßventil-Öffnen oder frühem Ein
laßventil-Schließen (Miller-Verfahren). Wird beispielsweise das Einlaß
ventil relativ früh geschlossen, so füllt sich der Zylinder nur unvollkom
men mit Frischladung, die Ladung im Zylinder expandiert während des
Ansaughubs und kühlt sich noch vor dem Verdichtungshub ab.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß wenig
stens ein Teil des Abgases eines Spenderzylinders der Brennkraftma
schine rückgehalten oder rückgeführt wird, um in dieses Abgas Kraft
stoff zur Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs sowohl
für den Spenderzylinder als auch für die restlichen Zylinder der Brenn
kraftmaschine einzuspritzen, wobei das homogene Kraftstoff-Luft-
Gemisch vor einer Einspeisung in eine gemeinsame Ansaugeinrichtung
des Spenderzylinders und der restlichen Zylinder vorzugsweise durch
eine Kühleinrichtung gekühlt wird, welche nach dem Verdichterkälte
prozeß, dem Adsorptionskälteprozeß, dem Gaskälteprozeß, dem
Dampfstrahlkälteprozeß, einem elektrothermischen Verfahren oder ei
ner Kombination der genannten Prozesse arbeitet.
In Weiterbildung hierzu kann die selbstzündende Brennkraftma
schine mit einer Abgasturboladeeinrichtung versehen sein und die An
saugeinrichtung einen Verdichter sowie eine diesem nachgeordneten
Ladeluftkühler und eine nachgeordnete Expansionsturbine aufweisen,
wobei das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Ansaugeinrichtung
wahlweise an einer oder mehreren Anschlußstellen eingespeist wird,
von welchen eine Anschlußstelle stromaufwärts des Verdichters, eine
Anschlußstelle zwischen dem Verdichter und dem Ladeluftkühler, eine
Anschlußstelle zwischen dem Ladeluftkühler und der Expansions
turbine sowie eine weitere Anschlußstelle zwischen der Expansionsturbine
und einem Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine angeordnet
ist.
Durch Rückführung des homogenisierten und vorgekühlten
Kraftstoff-Luft-Gemischs in die Ansaugeinrichtung kommt es zu einer
Durchmischung mit angesaugtem Frischgas. Die anschließende weite
re Abkühlung des mit homogenem Kraftstoff-Luft-Gemisch durchsetz
ten Frischgases durch den Ladeluftkühler und/oder die Expansionstur
bine (Turbokühlung) sorgt für eine deutlich höhere angesaugte Ge
samtmasse, wodurch die durch die höhere Temperatur des in die An
saugeinrichtung rückgeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs hervorgerufene
thermische Drosselung und damit Leistungseinbußen verringert wer
den. Durch die mit der Turbokühlung mögliche, geringere Kompres
sionsendtemperatur erfolgt die Selbstzündung des homogenen Ge
mischs nicht zu früh sondern kann über die Regelung der Parameter
der Turbokühlung so abgestimmt werden, daß sie wirkungsgradoptimal
im Bereich der oberen Zünd-Totpunktlage stattfindet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1a bis 1g eine schematische Darstellung einer Zylinder-
Kolbeneinheit einer selbstzündenden Brennkraft
maschine in verschiedenen Kurbelwinkellagen zur
Veranschaulichung einer bevorzugten Ausfüh
rungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Kolbenweg und Be
reiche für die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine
von Fig. 1 über dem Kurbelwinkel dargestellt
sind;
Fig. 3a bis 3f die Zylinder-Kolbeneinheit von Fig. 1 in verschiede
nen Kurbelwinkellagen zur Veranschaulichung ei
ner weiteren Ausführungsform des Verfahrens ge
mäß der Erfindung;
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem der Kolbenweg und Be
reiche für die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftma
schine von Fig. 3 über dem Kurbelwinkel dargestellt
sind;
Fig. 5a bis 5f die Zylinder-Kolbeneinheit von Fig. 1 in verschiede
nen Kurbelwinkellagen zur Veranschaulichung ei
ner weiteren Ausführungsform des Verfahrens ge
mäß der Erfindung;
Fig. 6 ein Diagramm, in welchem der Kolbenweg und Be
reiche für die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftma
schine von Fig. 5 über dem Kurbelwinkel dargestellt
sind;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer selbstzünden
den Brennkraftmaschine mit Turboaufladung, bei
welcher eine weitere Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens verwirklicht ist;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren
selbstzündenden Brennkraftmaschine mit Turbo
aufladung, welche zusätzlich mit einer Expansions
turbine versehen ist.
In den Fig. 1a bis 1g ist zur Veranschaulichung einer bevor
zugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung eine Zy
linder-Kolbeneinheit 1 einer selbstzündenden Brennkraftmaschine dar
gestellt, mit einem sich zwischen einer unteren Totpunktlage UT und
einer oberen Totpunktlage OT periodisch bewegenden Kolben 2. Die
Zylinder-Kolbeneinheit 1 umfaßt ein Einlaßventil 4, durch welches ent
lang einer im übrigen nicht dargestellten Ansaugeinrichtung geführtes
Frischgas durch einen Ansaugkanal 5 in einen Brennraum 6 strömen
kann, sowie ein Auslaßventil 8 zum Auslaß von Abgas. Zudem ist am
Kopf der Zylinder-Kolbeneinheit 1 eine beispielsweise mittige Einspritz
düse 10 angeordnet. Beim motorischen Verbrennungsprozeß der
selbstzündenden Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um
einen hinlänglich bekannten Viertakt-Prozeß mit einem Ansaugtakt, ei
nem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt.
Um ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erhal
ten, wird der Kraftstoff in heißes Abgas eingespritzt. Gemäß der bevor
zugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hier
zu zunächst eine Abgasrückhaltung im Brennraum 6 realisiert, indem
das Auslaßventil 8 während des in Fig. 1a dargestellten Ausstoßtakts
frühzeitig geschlossen wird. Im Anschluß erfolgt eine in Fig. 1b und
Fig. 1c gezeigte Einspritzphase während der Kraftstoff durch die Ein
spritzdüse 10 in das im Brennraum 6 rückgehaltene heiße Abgas ein
gespritzt wird, woraufhin der eingespritzte Kraftstoff verdampft und Vor
reaktionen stattfinden (Fig. 1d). Um ein Auftreffen des Kraftstoffstrahls
auf der Brennraumwand zu verhindern, kann das Einspritzen auch ge
taktet erfolgen.
Um die Vorreaktionen zum Stillstand zu bringen, wird im An
schluß eine Expansionskühlung beispielsweise gemäß dem sog. Miller-
Verfahren realisiert, indem während der Ansaugbewegung des Kol
bens 2 das Einlaßventil 4 erst spät geöffnet wird (Fig. 1d und Fig. 1e).
Das einströmende Frischgas sorgt für zusätzliche Homogenisierung
des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Alternativ könnte zur Erzeugung einer
Expansionskühlung das Einlaßventil 4 auch früher schließen. Hierdurch
wird die Kompressionsendtemperatur im nachfolgenden, in Fig. 1f ge
zeigten Verdichtungstakt gesenkt, welcher das Entzünden des Kraft
stoff-Luft-Gemischs auslöst. Anstatt einer seriellen Verbrennung der
Ladung mit sich allmählich ausbreitender Flammenfront findet wegen
deren homogener Beschaffenheit eine gleichzeitige, dezentrale Aktivie
rung an vielen Stellen statt, durch welche eine parallele Energiefreiset
zung möglich wird. Durch die gleichzeitig an vielen Stellen erfolgende
Zündung der Ladung werden außerdem lokale Spitzentemperaturen
vermieden.
In Fig. 2 sind im einzelnen in Diagrammform der Kolbenweg und
Bereiche für die Ventilsteuerzeiten der Zylinder-Kolbeneinheit 1 von
Fig. 1 in Abhängigkeit des Kurbelwinkels gezeigt. Beginnend bei einem
Kurbelwinkel von Null Grad befindet sich der Kolben 2 in einer oberen
Zünd-Totpunktlage ZOT, welche den Arbeitstakt der Brennkraftmaschine
einleitet. Vor Erreichen der sich anschließenden unteren Totpunktlage
UT des Kolbens öffnet das Auslaßventil 8 - in Fig. 2 als AÖ bezeichnet -
zur Einleitung des Ausstoßtaktes beispielsweise in einem Kurbelwin
kelbereich zwischen 110 Grad und 140 Grad (Fig. 1a).
Zur Abgasrückhaltung im Brennraum wird das Auslaßventil 8
frühzeitig geschlossen - in Fig. 2 als AS bezeichnet -, was vorzugswei
se in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 Grad und 369 Grad er
folgt. Hieran anschließend wird Kraftstoff in das rückgehaltene heiße
Abgas des vorangehenden Verbrennungszyklusses eingespritzt, vor
zugsweise in einem Kurbelwinkelbereich, welcher durch das Auslaß
ventil-Schließen AS und das Einlaßventil-Öffnen EÖ begrenzt ist, um
ein homogenisiertes Kraftstoff-Abgas-Gemisch zu erhalten. Anstatt nun
wie üblich kurz vor Erreichen einer oberen Ladungswechsel-
Totpunktlage LWOT bei 360 Grad Kurbelwinkel das Einlaßventil 4 zu
öffnen (EÖ in Fig. 2), erfolgt dies später, beispielsweise in einem Kur
belwinkelbereich zwischen 370 Grad und 450 Grad, um zunächst eine
Expansionskühlung des Kraftstoff-Abgas-Gemischs zu realisieren
(Fig. 1e). Die durch das späte Einlaßventil-Öffnen EÖ erhaltene, relativ
geringe Frischgasmenge kann durch eine Aufladung der Brennkraftma
schine kompensiert werden. Schließlich wird das Einlaßventil 4 in ei
nem Kurbelwinkelbereich zwischen 550 Grad bis 570 Grad geschlos
sen (ES in Fig. 2). Bei der anschließenden Verdichtung des Frischgas-
Brennstoff-Abgas-Gemischs wird schließlich dessen Selbstzündung im
Bereich der oberen Zünd-Totpunktlage ZOT ausgelöst.
Die genannten Steuerzeiten der Einlaß- und Auslaßventile 4, 8
können über entsprechende Nocken der Nockenwelle realisiert werden.
Alternativ können auch variabel ansteuerbare Ventile, z. B. elektroma
gnetische Ventile verwendet werden.
In den Fig. 3a bis 3f ist der Verbrennungsprozeß anhand der Zy
linder-Kolbeneinheit 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform des er
findungsgemäßen Verfahrens dargestellt, Fig. 4 zeigt das entsprechen
de Kolbenweg-Kurbelwinkel-Diagramm. Die Bezeichnung der Bauteile
und Steuerzeiten erfolgt hierbei mit denselben Abkürzungen und Be
zugszahlen wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform.
Wie bisher wird das Auslaßventil 8 vorzugsweise in einem Kur
belwinkelbereich zwischen 110 Grad und 140 Grad geöffnet (AÖ), um
die im Brennraum 6 befindlichen Abgase teilweise auszuschieben
(Fig. 3a). Durch frühzeitiges Einlaßventil-Öffnen EÖ und gleichzeitiges
Auslaßventil-Schließen AS, vorzugsweise während des Ausstoßtaktes
in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 Grad und 360 Grad, wird
das restliche heiße Abgas zur Abgasrückhaltung in den die Einspritzdü
se 10 enthaltenden Ansaugkanal 5 geschoben (Fig. 3b) und Kraftstoff in
das heiße Abgas eingespritzt - beispielsweise in einem Kurbelwinkel
bereich zwischen dem Einlaßventil-Öffnen EÖ und 5 Grad Kurbelwinkel
vor dem Einlaßventil-Schließen ES -, welches daraufhin verdampft. Die
anschließende Abwärtsbewegung des Kolbens 2 während des An
saugtaktes sorgt für Ansaugen des im Ansaugkanal 5 gebildeten Kraft
stoff-Abgas-Gemischs sowie von mit diesem homogenisiertem Frisch
gas in den Brennraum 6 (Fig. 3. c). Durch das Einlaßventil-Schließen ES
beispielsweise in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 460 und 560 Grad
und die weitere Abwärtsbewegung des Kolbens 2 wird das im
Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch expansionsgekühlt
(Fig. 3d). Abschließend kommt es im Rahmen des anschließenden Ver
dichtungstaktes (Fig. 3e) zur Selbstzündung im Bereich der oberen
Zünd-Totpunktlage ZOT (Fig. 3f). Anstatt die für den Verbrennungszyklus
vorgesehene gesamte Einspritzmenge vollständig in den Ansaugkanal
5 einzuspritzen, ist auch denkbar, nur einen Teil hiervon ansaugkanal
seitig und den Rest über eine weitere Einspritzdüse in den Brennraum
6 einzuspritzen.
In Fig. 5a bis Fig. 5f ist der Verbrennungsprozeß anhand der Zy
linder-Kolbeneinheit 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform des er
findungsgemäßen Verfahrens dargestellt, Fig. 6 zeigt das entsprechen
de Kolbenweg-Kurbelwinkel-Diagramm.
Wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform wird
das Auslaßventil 8 in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 110 Grad
und 140 Grad geöffnet, um die im Brennraum 6 befindlichen Abgase
teilweise auszuschieben (Fig. 5a). Im Unterschied dazu wird jedoch der
Kraftstoff kurz nach Auslaßventil-Schließen AS eingespritzt, welches
beispielsweise in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 und 360 Grad
erfolgt. Im gleichen Kurbelwinkelbereich öffnet das Einlaßventil 4,
so daß hierdurch das innerhalb des Brennraumes 6 gebildete Kraftstoff-
Abgas-Gemisch in den Einlaßkanal 5 geschoben wird. Die Strömung
dieses Gemischs durch das Einlaßventil 4 sorgt für gute Verwirbelung
und Verteilung des Kraftstoffs (Fig. 5b). Im Anschluß wird das Kraftstoff-
Abgas-Gemisch zusammen mit Frischgas während des Ansaugtaktes
durch das geöffnete Einlaßventil 4 in den Brennraum 6 zurückgesaugt
(Fig. 5c). Der Einspritzvorgang findet wird spätestens beim Einlaßventil-
Schließen ES beendet, welches beispielsweise in einem Kurbelwinkel
bereich zwischen 460 Grad und 560 Grad stattfindet. Durch Schließen
des Einlaßventils 4 bei gleichzeitiger Saugbewegung des Kolbens 2 er
gibt sich eine Expansionskühlung des Kraftstoff-Abgas-Frischgas-
Gemischs. Schließlich löst der sich anschließende Verdichtungstaktes
(Fig. 5e) eine Selbstzündung (Fig. 5f) im Bereich der oberen Zünd-
Totpunktlage ZOT aus.
In Fig. 7 ist der Aufbau einer selbstzündenden Brennkraftmaschi
ne 12 mit sechs Zylindern 14 schematisch dargestellt, welche mit einer
Abgasturboladeeinrichtung 16 versehen ist, so daß eine Ansaugein
richtung 18 der Brennkraftmaschine 12 in einer Ansaugleitung 20 einen
ein- oder mehrstufig ausgebildeten Verdichter 22 und beispielsweise
auch einen hierzu stromabwärtigen Ladeluftkühler 24 umfaßt, der aus
gangsseitig mit einem gemeinsamen Ansaugkrümmer 26 aller sechs
Zylinder 14 in Verbindung steht, welcher zur Verteilung des in der An
saugleitung 20 anstehenden Gases auf die einzelnen Zylinder 14 dient.
Während für fünf der sechs Zylinder 14 ein gemeinsamer Ab
gaskrümmer 28 vorgesehen ist, um die Abgase dieser Zylinder zu einer
den Verdichter 22 treibenden Abgasturbine 30 der Abgasturboladeein
richtung 16 zu leiten und sie in bekannter Weise in Rotation zu verset
zen, ist für den sechsten Zylinder, einem sog. Spenderzylinder 32, eine
mit dessen Auslaßkanal in Verbindung stehende und vom Abgaskrüm
mer 28 der restlichen Zylinder 14 getrennte Rückführleitung 34 vorge
sehen, welche in die Ansaugleitung 20 zurückgeführt ist. Wie durch die
gestrichelten Linien in Fig. 7 angedeutet, kann die Rückführlei
tung 34 wahlweise an einer Anschlußstelle 36 stromaufwärts des Ver
dichters, an einer Anschlußstelle 38 zwischen dem Verdichter 22 und
dem Ladeluftkühler 24 oder an einer Anschlußstelle 40 zwischen dem
Ladeluftkühler 24 und dem Ansaugkrümmer 26 der Brennkraftma
schine 12 in die Ansaugleitung 20 münden.
Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt: Das
Abgas des Spenderzylinders 32 dient zur Erzeugung eines homogenen
Kraftstoff-Luft-Gemischs für sämtliche Zylinder 14, indem in einem
Brennraum 42 des Spenderzylinders 32 rückgehaltenes oder dorthin
rückgeführtes, heißes Abgas Kraftstoff eingespritzt wird. Über die
Rückführleitung 34 wird dann das durch den Spenderzylinder 32 er
zeugte homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch in die gemeinsame, sämtli
che Zylinder 14 versorgende Ansaugeinrichtung 18 eingespeist.
Um in den Zylindern 14 Vorreaktionen in Grenzen zu halten bzw.
erst gar nicht entstehen zu lassen, wird das vom Spenderzylinder 32
stammende Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Einspeisung in die Ansaug
einrichtung 18 vorzugsweise durch eine in der Rückführleitung 34 an
geordnete Kühleinrichtung 44 abgekühlt, welche nach dem Verdichter
kälteprozeß, dem Adsorptionskälteprozeß, dem Gaskälteprozeß, dem
Dampfstrahlkälteprozeß, einem elektrothermischen Verfahren oder ei
ner Kombination der genannten Prozesse arbeiten kann. Alternativ
oder zusätzlich hierzu kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch nach Einspeisung
in die einzelnen Zylinder 14 mittels einer Expansionskühlung
(Miller-Verfahren) gemäß der vorangehend beschriebenen Ausfüh
rungsformen abgekühlt werden. Wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch an
einer der dem Ladeluftkühler 24 vorgeordneten Anschlußstellen 36, 38
in die Ansaugleitung 20 eingespeist, wird in vorteilhafter Weise ein be
reits vorhandenes Kühlorgan genutzt, welches für zusätzliche Kühlung
sorgt. Neben der bereits beschriebenen Behinderung von uner
wünschten Frühzündungen kann durch die Kühlung der das heiße
Kraftstoff-Luft-Gemisch enthaltenden Ladung vor Einspülung in die Zy
linder 14 deren Masse gesteigert und somit die thermische Drosselung
verringert werden.
In Fig. 8 ist eine Weiterbildung der turbogeladenen Brennkraft
maschine gemäß Fig. 7 dargestellt, wobei identische oder analoge
Bauteile und Baugruppen mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet
sind wie in Fig. 7. Die Ansaugeinrichtung 18 dieser Brennkraftmaschine
12 beinhaltet eine dem Ladeluftkühler 24 und dem Ansaugkrümmer 26
zwischengeordnete Expansionsturbine 46, welche ein- oder mehrstufig
ausgebildet sein kann. Zusätzlich zu den Anschlußstellen 36, 38, 40
gemäß der vorangehend beschriebenen Ausführungsform ist strom
aufwärts der Expansionsturbine 46 eine dem Ladeluftkühler 24 nach
geordnete Anschlußstelle 48 für die vom Spenderzylinder 32 ausge
hende Rückführleitung 34 vorgesehen.
Damit wird zum einen das in die Ansaugleitung 20 gesaugte
Frischgas oder die Verbrennungsluft im Verdichter 22 zunächst über
das übliche Verbrennungsluftdruckniveau hinaus verdichtet, anschlie
ßend wird die hoch verdichtete Verbrennungsluft über den Ladeluft
kühler 24 geführt und dort zwischengekühlt. Eine weitere Abkühlung
der angesaugten Verbrennungsluft wird durch die Expansionsturbine 46
verwirklicht.
Darüber hinaus wird durch die Expansionsturbine 46 auch das
durch den Spenderzylinder 32 homogenisierte Kraftstoff-Luft-Gemisch
gekühlt, wenn dieses über die Rückführleitung 34 an einer der drei der
Expansionsturbine 46 vorgeordneten Anschlußstellen 36, 38, 48 in die
Ansaugleitung eingespeist wird. Durch eine entsprechende Ansteue
rung der für die Kühlung der angesaugten Ladung verwendeten Stell
glieder wie Expansionsturbine 46, Ladeluftkühler 24 oder der in der
Rückführleitung 34 angeordneten Kühleinrichtung 44 durch eine Steu
er- und Regeleinrichtung kann der Zündzeitpunkt der Ladung wirkungs
gradoptimal in den Bereich der oberen Zünd-Totpunktlage ZOT eingere
gelt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung einer zu frühen
Selbstzündung des homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs bietet eine
isentrope Verdichtung, wie sie z. B. bei Sterlingmotoren verwendet wird.
Hierbei während des Verdichtungshubes des Kolbens die Zylinderla
dung durch gezielten Wärmeentzug gekühlt. Die isentrope Verdichtung
wirkt sich außerdem wirkungsgradsteigernd auf den Verbrennungspro
zeß aus.
Claims (13)
1. Verfahren zur Erzeugung eines homogenen Gemischs für selbstzündende
Brennkraftmaschinen (12) und zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses,
wobei die Brennkraftmaschine (12) eine Einspritzanlage (10) und wenigstens
eine mit einer Ansaugeinrichtung (18) in Verbindung stehende Zylinder-
Kolbeneinheit (1; 32) mit einem Brennraum (6; 42) aufweist, wobei,
heißes Abgas eines vorangehenden Verbrennungszyklus in den Brennraum (6; 42) oder in die Ansaugeinrichtung (18) zurückgeführt oder das heiße Abgas im Brennraum (6; 42) oder in der Ansaugeinrichtung (18) zurückgehalten wird, und
Kraftstoff mittels der Einspritzanlage (10) in das rückgehaltene oder rückgeführte heiße Abgas zur Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-Luft- Gemischs eingespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass;
das homogenisierte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Expansionskühlung oder durch eine isentrope Verdichtung in der betreffenden Zylinder- Kolbeneinheit (1) und/oder durch Expansionskühlung oder durch externe Abkühlung eines in mindestens einer weiteren Zylinder-Kolbeneinheit (32) homogenisierten Kraftstoff-Luft-Gemischs abgekühlt wird, wobei
das abgekühlte Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Ansaugeinrichtung (18) zurückgeführt wird.
heißes Abgas eines vorangehenden Verbrennungszyklus in den Brennraum (6; 42) oder in die Ansaugeinrichtung (18) zurückgeführt oder das heiße Abgas im Brennraum (6; 42) oder in der Ansaugeinrichtung (18) zurückgehalten wird, und
Kraftstoff mittels der Einspritzanlage (10) in das rückgehaltene oder rückgeführte heiße Abgas zur Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-Luft- Gemischs eingespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass;
das homogenisierte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Expansionskühlung oder durch eine isentrope Verdichtung in der betreffenden Zylinder- Kolbeneinheit (1) und/oder durch Expansionskühlung oder durch externe Abkühlung eines in mindestens einer weiteren Zylinder-Kolbeneinheit (32) homogenisierten Kraftstoff-Luft-Gemischs abgekühlt wird, wobei
das abgekühlte Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Ansaugeinrichtung (18) zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verbrennungsprozeß ein Viertakt-Prozeß ist, mit einem Ansaugtakt,
einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die interne
Expansionskühlung vorzugsweise mittels spätem Einlaßventil-Öffnen
(EÖ) oder frühem Einlaßventil-Schließen (EV) erfolgt (Miller-Verfahren).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Steuerung eines Einlaßventils (4), eines Auslaßventils (8) und der
Einspritzanlage (10) derart erfolgt, daß durch frühzeitiges Auslaßventil-
Schließen (AS) während des Ausstoßtaktes heißes Abgas im
Brennraum (6) zurückgehalten, in das heiße Abgas Kraftstoff zur
Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs eingespritzt und
dieses Gemisch während des Ansaugtaktes durch spätes Einlaßventil-
Öffnen (EÖ) expansionsgekühlt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenn eine
obere Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) eines Kolbens (2) der
Zylinder-Kolbeneinheit (1) durch einen Kurbelwinkel von 360 Grad
definiert ist, der Verbrennungsprozeß durch folgende Steuerzeiten
gekennzeichnet ist:
- a) Auslaßventil-Öffnen (AÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 110 Grad und 140 Grad;
- b) Auslaßventil-Schließen (AS) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 Grad und 369 Grad;
- c) Einlaßventil-Öffnen (EÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 370 und 450 Grad;
- d) Einlaßventil-Schließen (ES) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 550 und 570 Grad;
- e) Einspritzen von Kraftstoff zwischen dem Auslaßventil-Schließen (AS) und dem Einlaßventil-Öffnen (EÖ).
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Steuerung des Einlaßventils (4), des Auslaßventils (8) und der
Einspritzanlage (10) derart erfolgt, daß während des Ausstoßtaktes
heißes Abgas vom Brennraum (6) durch das geöffnete Einlaßventil (4)
in einen Ansaugkanal (5) der Ansaugeinrichtung (18) geschoben, im
Ansaugkanal (5) Kraftstoff in das heiße Abgas und angesaugtes
Frischgas eingespritzt, während des Ansaugtaktes das Kraftstoff-Luft-
Gemisch vom Ansaugkanal (5) in den Brennraum (6) zurückgesaugt
und nach frühzeitigem Schließen des Einlaßventils (4)
expansionsgekühlt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenn eine
obere Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) eines Kolbens (2) der
Zylinder-Kolbeneinheit (1) durch einen Kurbelwinkel von 360 Grad
definiert ist, der Verbrennungsprozeß durch folgende Steuerzeiten
gekennzeichnet ist:
- a) Auslaßventil-Öffnen (AÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 110 Grad und 140 Grad;
- b) Auslaßventil-Schließen (AS) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 Grad und 360 Grad;
- c) Einlaßventil-Öffnen (EÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 und 360 Grad;
- d) Einlaßventil-Schließen (ES) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 460 und 560 Grad;
- e) Einspritzen von Kraftstoff zwischen dem Einlaßventil-Öffnen (EÖ) und 5 Grad Kurbelwinkel vor dem Einlaßventil-Schließen (ES).
8. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - Einspritzen von Kraftstoff während des Ausstoßtaktes kurz nach Schließen des Auslaßventils (8) in den Brennraum (6) und im wesentlichen gleichzeitiges
- - Einlaßventil-Öffnen (EÖ), um das innerhalb des Brennraumes (6) gebildete Kraftstoff-Abgas-Gemisch in einen Ansaugkanal (5) der Ansaugeinrichtung zu schieben,
- - Zurücksaugen des Kraftstoff-Abgas-Gemischs zusammen mit Frischgas während des Ansaugtaktes durch das geöffnete Einlaßventil (4) in den Brennraum (6),
- - frühzeitiges Einlaßventil-Schließen (ES) bei gleichzeitiger Saugbewegung des Kolbens (2), um die Expansionskühlung des Kraftstoff-Abgas-Frischgas-Gemischs zu erzielen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenn eine
obere Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) eines Kolbens (2) der
Zylinder-Kolbeneinheit (1) durch einen Kurbelwinkel von 360 Grad
definiert ist, der Verbrennungsprozeß durch folgende Steuerzeiten
gekennzeichnet ist:
- a) Auslaßventil-Öffnen (AÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 110 Grad und 140 Grad;
- b) Auslaßventil-Schließen (AS) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 Grad und 360 Grad;
- c) Einlaßventil-Öffnen (EÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 270 und 360 Grad;
- d) Einlaßventil-Schließen (ES) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 460 und 560 Grad;
- e) Einspritzen von Kraftstoff zwischen dem Auslaßventil-Schließen (AS) und dem Einlaßventil-Schließen (ES).
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein Teil des Abgases eines Spenderzylinders (32) der
Brennkraftmaschine (12) rückgehalten oder rückgeführt wird, um in
dieses Abgas Kraftstoff zur Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-Luft-
Gemischs sowohl für den Spenderzylinder (32) als auch für die
restlichen Zylinder (14) der Brennkraftmaschine (12) einzuspritzen,
wobei das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch vor einer Einspeisung in
die gemeinsame Ansaugeinrichtung (18) des Spenderzylinders (32) und
der restlichen Zylinder (14) vorzugsweise durch eine Kühleinrichtung
(44) gekühlt wird, welche nach dem Verdichterkälteprozeß, dem
Adsorptionskälteprozeß, dem Gaskälteprozeß, dem
Dampfstrahlkälteprozeß, einem elektrothermischen Verfahren oder
einer Kombination der genannten Prozesse arbeitet, und/oder nach der
Einspeisung in diese Ansaugeinrichtung (18) in den Zylindern (14)
expansionsgekühlt wird (Miller-Verfahren).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
selbstzündende Brennkraftmaschine (12) mit einer
Abgasturboladeeinrichtung (16) versehen ist und die Ansaugeinrichtung
(18) einen Verdichter (22) und vorzugsweise einen diesem
nachgeordneten Ladeluftkühler (24) aufweist, wobei das homogene
Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Ansaugeinrichtung (18) wahlweise an
einer oder mehreren Anschlußstellen eingespeist wird, von welchen
eine Anschlußstelle (36) stromaufwärts des Verdichters (22), eine
Anschlußstelle (38) zwischen dem Verdichter (22) und dem
Ladeluftkühler (24) und eine weitere Anschlußstelle (40) zwischen dem
Ladeluftkühler (24) und einem Ansaugkrümmer (26) der
Brennkraftmaschine (12) angeordnet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die durch
den Verdichter (22) verdichtete und den Ladeluftkühler (24) abgekühlte
Verbrennungsluft durch eine wahlweise einstufige oder zweistufige,
dem Ladeluftkühler (24) nachgeordnete Expansionsturbine (46) weiter
abgekühlt wird, wobei das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch der
Ansaugeinrichtung (18) an einer zusätzlichen Anschlußstelle (48)
zwischen dem Ladeluftkühler (24) und der Expansionsturbine (46)
zuführbar ist.
13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verdichtungstakt eine isentrope Verdichtung beinhaltet.
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