DE10045753A1 - Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine wird wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine aus wenigstens einem Einspritzventil Kraftstoff zugeführt. Der Kraftstoff wird vor dem Einspritzen in den wenigstens einen Brennraum erhitzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine selbstzündende Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von An­ spruch 9 näher definierten Art.

Aus der DE 36 12 736 A1 ist eine mit der Einspritzdüse integrierte Einrichtung zum Erhitzen von eingespritz­ tem Kraftstoff für eine selbstzündende Brennkraftma­ schine bekannt. Mit dieser Einrichtung soll der die Einspritzdüse verlassende Kraftstoffstrahl beim Ein­ treten in den Brennraum berührungsfrei aufgeheizt wer­ den können.

Ähnliche Vorrichtungen zum Vorglühen bzw. Vorheizen von Kraftstoff sind des weiteren in der DE 42 24 344 A1, der DE 38 05 933 C2 und der DE 42 15 916 A1 be­ schrieben.

Derartige Vorrichtungen sind dafür vorgesehen, die Luft im Brennraum aufzuheizen, um beim Start der Brennkraftmaschine eine ausreichend hohe Kompressions- Endtemperatur für die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes zu erreichen. Nachteiligerweise sind beim Betrieb solcher Vorrichtungen jedoch mehrere Wärme­ übergänge notwendig, und zwar von der Glüheinrichtung auf die Luft und von der Luft auf den Kraftstoff, was den Energieaufwand erhöht und außerdem eine sehr lange Zeit beansprucht. Aus diesem Grund ergibt sich insbe­ sondere bei niedrigen Temperaturen eine verhältnismä­ ßig lange Vorglühzeit von ca. 10 bis 15 Sekunden vor dem Starten der Brennkraftmaschine.

Des weiteren tritt bei der Gemischaufbereitung ein sogenannter Zündverzug auf, der die Zeit zwischen dem Einspritzbeginn und dem Zündbeginn, also dem Beginn der exothermen Reaktion beschreibt. Mit dem Zündbeginn setzt die Verbrennung ein, bei der der bis zu diesem Zeitpunkt aufbereitete Kraftstoff in einer vorgemisch­ ten Flamme verbrennt. Gerade dieser Anteil der sehr rasch brennenden, vorgemischten Flamme an der gesamten Verbrennung in den Brennräumen ist im wesentlichen verantwortlich für das Verbrennungsgeräusch und die entstehende Menge an abgegebenen Stickoxiden.

Der hohe Temperaturanstieg und die Drucksteigerung führen des weiteren zu hohen thermischen Belastungen des Zylinderkopfes, so daß insbesondere im Bereich des Glühkerzengewindes sogenannte Hot-Spots (Zonen mit lokal sehr höher Temperatur) auftreten, welche zu Ris­ sen im Gußmaterial des Zylinderkopfes führen können.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, den Einspritzdruck weiter zu steigern, um die für die Gemischbildung zwischen Luft und Kraftstoff benötigte Zeit möglichst klein zu halten. Dieser Ansatz ist zwar prinzipiell richtig, da eine Druckerhöhung zu feineren Kraftstofftröpfchen und damit zu einer schnelleren Gemischaufbereitung führt, diese sehr hohen Drücke von über 1000 bar bringen jedoch auch eine Reihe von Pro­ blemen im Einspritzsystem mit sich. So steigt bei ei­ nem kontinuierlichen Druckspeicher, wie er beispiels­ weise bei einem modernen Common-Rail-System vorgesehen ist, der Energiebedarf für die Einspritzanlage stark an, da der hohe Druck ständig und nicht nur für den sehr kurzen Moment der Einspritzung aufrecht erhalten werden muß. Außerdem wirkt der Kompressionsdruck zu Beginn der Einspritzung grundsätzlich als Nachteil, weil dadurch die Kraftstoffgeschwindigkeit während der Einspritzung vermindert wird. Die nachkommende Front der Kraftstofftröpfchen kann auf die gebremsten Antei­ le aufprallen, wodurch die ursprünglich gut zerstäub­ ten Kraftstofftropfen sich wieder zu größeren Tröpf­ chen ansammeln und den Verbrennungsprozeß nachteilig beeinflussen können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brenn­ kraftmaschine zu schaffen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere im Hinblick auf einen homogeneren Ablauf der gesamten Verbrennung und auf das Erreichen einer kürzeren Vorglühzeit vor dem Starten der Brennkraftmaschine. Des weiteren soll eine für dieses Verfahren geeignete Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Erhitzung des Kraftstoffs vor dem Einspritzen in den Brennraum wird dieser di­ rekt und ohne das Zwischenelement "Luft" erhitzt, wo­ durch sich der Energiebedarf insbesondere für den Start der Brennkraftmaschine vermindern läßt. Da der Wärmeübergangskoeffizient bei Flüssigkeiten erheblich höher ist als bei Gasen, beschleunigt sich vorteilhaf­ ter Weise die Wärmeübertragung und es kommt zu einer schnelleren Erhitzung des Kraftstoffes.

Die erfindungsgemäße Erhitzung des Kraftstoffes ver­ ringert des weiteren dessen Viskosität, wodurch ein geringerer Energiebedarf und somit auch ein geringerer Druck für die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum erforderlich ist. Dadurch wird auch eine feinere Zerstäubung des Kraftstoffes ermöglicht.

Durch die höhere Temperatur verringert sich die Zeit, die für die Aufbereitung des Kraftstoffes durch Ver­ dampfung erforderlich ist, was zu einem sehr viel ge­ ringeren Zündverzug führt. Hierdurch wird auch der Kraftstoffanteil in der Phase der vorgemischten Flamme kleiner, wodurch sich Verbrennungsgeräusche und Stick­ oxidemissionen reduzieren.

Aufgrund der Tatsache, daß der Kraftstoff vor dem Ein­ spritzen in den Brennraum, also in der Einspritzdüse erhitzt wird und, wie oben beschrieben, nur noch ein Wärmeübergang auf ein flüssiges Medium vorhanden ist, können selbstzündende Brennkraftmaschinen auch bei sehr geringen Temperaturen sehr schnell gestartet wer­ den, so daß unter diesem Gesichtspunkt Dieselbrennkraftmaschinen annähernd mit Ottobrennkraftmaschinen gleichzusetzen sind.

Wenn der Kraftstoff auf eine Temperatur oberhalb sei­ ner druckabhängigen Siedelinie erhitzt wird, geht ein Teil des Kraftstoffes beim Austritt aus dem Einspritz­ ventil und dem gleichzeitigen Eintritt in den Brenn­ raum unmittelbar in den gasförmigen Zustand über. Sol­ che gasförmigen Bestandteile des Kraftstoffs durchmi­ schen sich leichter mit Sauerstoff, wodurch die Bil­ dung von festen Kohlenstoffpartikeln unterdrückt wird. Außerdem entsteht dadurch ein sehr geringer Zündver­ zug, da sich der Kraftstoff beim Kontakt mit dem Sau­ erstoff der Luft sofort entzündet. Hierdurch sind hö­ here Drehzahlen der Brennkraftmaschine möglich, was zugleich eine Erhöhung der Leistung mit sich bringt. Für die Bezeichnung "druckabhängige Siedelinie" wird hier auf den Druck in den Brennräumen der Brennkraft­ maschine Bezug genommen.

Besonders vorteilhaft läßt sich das beschriebene Ver­ fahren für Dieselkraftstoff anwenden, da dieser Kraft­ stoff bei den meisten selbstzündenden Brennkraftma­ schinen verwendet wird und bei Dieselbrennkraftmaschi­ nen bislang stets eine verhältnismäßig lange Vorglüh­ zeit erforderlich war.

Alternativ ist jedoch auch die Verwendung von Methanol denkbar, da dieser Kraftstoff insbesondere bei tiefen Temperaturen aufgrund seiner verhältnismäßig hohen Zündtemperatur und der sehr hohen Verdampfungswärme nur schwer zu entzünden ist. Durch die erfindungsgemä­ ße Erhitzung des Kraftstoffes vor dem Einspritzen in den Brennraum kann somit auch die Zündwilligkeit von Methanol verbessert werden.

Eine konstruktive Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 9.

Die Anordnung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung im Inneren der Einspritzdüse stellt eine sehr einfach realisierbare, kostengünstige und zuverlässige Mög­ lichkeit für das Erhitzen des Kraftstoffes vor dem Einspritzen in den Brennraum dar. Hierdurch können unter anderem für jeden Zylinder der Brennkraftmaschi­ ne eine Glühkerze und die damit verbundenen mechani­ schen Bearbeitungsschritte einschließlich Werkzeuge und zugehöriger Maschinen eingespart werden.

Außerdem ergibt sich eine höhere Gestaltungsfreiheit und ein Raumgewinn im Bereich des Brennraumes, was insbesondere im Hinblick auf die Mehrventiltechnik von Vorteil ist. Des weiteren ist eine stark vereinfachte Konstruktion des Zylinderkopfes möglich, wodurch unter anderem Hot-Spots im Bereich der bisher vorhandenen Glühkerzengewinde vermieden werden können. Dies führt zu einer Erhöhung der Steifigkeit und somit auch der Zuverlässigkeit des Zylinderkopfes.

In vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, daß zur Vorerhitzung des Kraftstoffes ein Kühlwasser-Wärmetau­ scher und/oder ein Abgaswärmetauscher vorgesehen ist, durch den die Kraftstoffleitung verläuft.

Mit Hilfe des Einsatzes eines oder beider der genann­ ten Wärmetauscher kann der zur Erhitzung des Kraft­ stoffes erforderliche Energiebedarf verringert und ein gewisser Anteil an Energie zurückgewonnen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Un­ teransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbei­ spiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff- und einer Frischluftzuführleitung; und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Einspritzventil der Brennkraftmaschine aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine selbstzündende Brennkraftmaschine 1, die mehrere Brennräume 2 aufweist und mit einem Kraft­ stoffbehälter 3 über eine Kraftstoffzuführleitung 4 verbunden ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist im vorlie­ genden Fall als eine nach dem Diesel-Prinzip arbeiten­ de, an sich bekannte Common-Rail-Brennkraftmaschine ausgebildet, wobei es sich bei der Brennkraftmaschine 1 auch um eine gewöhnliche Dieselbrennkraftmaschine mit den Brennräumen 2 zugeordneten Vorkammern handeln kann. Als Kraftstoffe für die selbstzündende Brenn­ kraftmaschine 1 sind sowohl Diesel-Kraftstoff als auch Methanol, in einem sehr theoretischen Fall auch Benzin geeignet.

Die Kraftstoffzuführleitung 4 führt zu einer Rail bzw. Verteilerrohr 5, die mit mehreren, den jeweiligen Brennräumen 2 zugeordneten Einspritzventilen 6 über Leitungen 7 verbunden ist. Von jedem Einspritzventil 6 geht eine Leitung 8 aus, die alle in einer gemeinsamen Rückführleitung 9 münden, die in den Kraftstoffbehäl­ ter 3 zurückführt.

Mittels der Einspritzventile 6 kann somit in bekannter Weise Kraftstoff in die Brennräume 2 eingespritzt wer­ den, wobei den Brennräumen 2 über eine Ansaugleitung 10 in ebenso bekannter Weise Frischluft zugeführt wird. In der Kraftstoffzuführleitung 4 befinden sich ein Filterelement 11 und eine Kraftstoffpumpe 12, wo­ hingegen in der Ansaugleitung 10 eine Drosselklappe 13 (nur bei Otto- oder Methanolmotoren) angeordnet ist.

Nach der in den Brennräumen 2 stattfindenden Verbren­ nung können die dabei entstehenden Abgase über eine Abgasleitung 14 aus der Brennkraftmaschine 1 austre­ ten.

Vor seiner Einspritzung in die Brennräume 2 wird der Kraftstoff in den Einspritzventilen 6 erhitzt, und zwar mittels einer elektrischen Heizeinrichtung 15, die in dem in Fig. 2 im Schnitt dargestellten Ein­ spritzventil 6 angeordnet ist. Die im folgenden näher beschriebene Erhitzung des Kraftstoffes innerhalb des Einspritzventils 6 kann dabei sowohl während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine 1 als auch wäh­ rend des späteren Betriebs derselben durchgeführt wer­ den.

Das Einspritzventil 6 weist einen Ventilkörper 16 auf, in dessen Innerem sich ein Kraftstoffraum 17 befindet. In dem Kraftstoffraum 17 ist ein Ventilglied 18 verschieblich angeordnet und zur Freigabe einer Ein­ spritzöffnung 19 vorgesehen, die im geöffneten Zustand des Ventilgliedes 18 den Kraftstoffraum 17 mit dem zugeordneten Brennraum 2 verbindet und so eine Ein­ spritzung von Kraftstoff ermöglicht. Zum Antrieb des Ventilgliedes 18 ist an dessen der Einspritzöffnung 19 gegenüberliegenden Ende ein Anker 20 angebracht, der durch in dem Ventilkörper 16 gelagerte Magnetspulen 21 bewegt werden kann.

Die Heizeinrichtung 15 weist im vorliegenden Fall ein ringförmig angeordnetes Widerstands-Heizelement 22 auf, es können alternativ jedoch auch Halbleiter- Heizelemente oder induktive Heizelemente vorgesehen sein. Die Heizeinrichtung 15 ist in der Lage, den Kraftstoff, der sich in dem Kraftstoffraum 17 befin­ det, aufzuheizen, so daß dieser vor dem Öffnen der Einspritzöffnung 19 durch das Ventilglied 18 und dem darauffolgenden Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum 2 eine bestimmte Temperatur aufweist. Eine solche Temperatur kann ca. 200°C bis 400°C betragen.

Um es zu ermöglichen, den Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffzuführleitung 4 vor dem Eintritt in das Ver­ teilerrohr 5 vorzuheizen, befindet sich in der Abgas­ leitung 14 ein Abgaswärmetauscher 23, der die thermi­ sche Energie des Abgases aus der Abgasleitung 14 an den Kraftstoff abgibt. Hierzu ist die Kraftstoffzu­ führleitung 4 durch den Abgaswärmetauscher 23 geführt. Um ein Abschalten des Abgaswärmetauschers 23 zu ermög­ lichen, ist derselbe in einer von der Abgasleitung 14 abzweigenden Bypaßleitung 24 angeordnet, die mittels eines Drosselventils 25 verschlossen werden kann. Selbstverständlich wäre auch eine von der Kraftstoffzuführleitung 4 abzweigende Bypaßleitung denkbar, um den Abgaswärmetauscher 23 zu umgehen.

Zusätzlich oder alternativ ist in einem nicht explizit dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 ein Kühlwasser-Wärmetauscher 26 angeordnet, durch den über eine von der Kraftstoffzuführleitung 4 abzweigen­ de Bypaßleitung 27 Kraftstoff hindurchgeführt und so­ mit über die in dem Zylinderkopf herrschende Wärme erhitzt werden kann. Auch die Bypaßleitung 27 ist mit­ tels eines Drosselventils 28 absperrbar, so daß der Kraftstoff auch ohne Umweg, d. h. ohne durch das Kühl­ mittel vorgeheizt zu werden, direkt in das Verteiler­ rohr 5 gelangen kann. Der Kühlwasser-Wärmetauscher 26 kann dabei als einfache Leitung durch den Zylinderkopf ausgeführt sein, über dessen Länge und Durchmesser der Grad der Erhitzung des Kraftstoffes eingestellt werden kann. Je nach Stellung des Drosselventils 28 ist dar­ über hinaus die Durchflußmenge von Kraftstoff durch den Kühlwasser-Wärmetauscher 26 steuerbar, wie dies auch mit dem Drosselventil 25 zur Einstellung der durch den Abgaswärmetauscher 23 geführten Abgasmenge möglich ist.

Zur Regelung der Temperatur des eingespritzten Kraft­ stoffes ist eine Steuer- und Regeleinrichtung 29 vor­ gesehen, die über Leitungen 30 mit an den Einspritz­ ventilen 6 verbundenen Temperatursensoren 31 verbunden sind. Des weiteren ist ein Außenlufttemperatursensor 32 mit der Steuer- und Regeleinrichtung 29 über eine Steuerleitung 33 und ein Kühlwassertemperatursensor 34 über eine Steuerleitung 35 verbunden. Der Kühlwasser­ temperatursensor 34 ist in einem nur schematisch dar­ gestellten Kühlsystem 36 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Des weiteren ist in dem Kraftstoffraum 17 ein nicht dargestellter Temperatursensor unterge­ bracht, der ebenfalls mit der Steuer- und Regelein­ richtung 29 verbunden sein kann.

Mit Hilfe der Temperatursensoren 31, 32 und 34 des Temperatursensors innerhalb des Kraftstoffraumes 17 kann in der Steuer- und Regeleinrichtung 29 eine opti­ male Temperatur für die Einspritzung des Kraftstoffes ermittelt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei wenigstens einem Brenn­ raum der Brennkraftmaschine aus wenigstens einem Einspritzventil Kraftstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff vor dem Einspritzen in den wenig­ stens einen Brennraum (2) erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff auf eine Temperatur oberhalb seiner druckabhängigen Siedelinie erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur ca. 200°C-400°C beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoff Diesel-Kraftstoff verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoff Methanol verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Kraftstoffes beim Starten der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Kraftstoffes beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff vor dem Eintritt in das wenigstens eine Einspritzventil (6) durch Kühlwasser und/oder Abgas vorerhitzt wird.

9. Selbstzündende Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum und mit wenigstens einem dem Brennraum zugeordneten Einspritzventil, welches einen Ventilkörper und einen innerhalb des Ventil­ körpers sich befindlichen Kraftstoffraum aufweist, wobei in dem Kraftstoffraum ein Ventilglied ver­ schieblich angeordnet und zur Freigabe einer Ein­ spritzöffnung zu dem Brennraum vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (6) eine innerhalb des Ventil­ körpers (16) in einem Bereich vor der Ein­ spritzöffnung (19) angeordnete Heizeinrichtung (15) zum Erhitzen von in dem Kraftstoffraum (17) sich befindlichem Kraftstoff aufweist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (15) wenigstens ein Wider­ stands-Heizelement (22) aufweist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (15) wenigstens ein Halblei­ ter-Heizelement aufweist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (15) wenigstens ein induktives Heizelement aufweist.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kraftstoffraum (17) ein Temperatursensor vorgesehen ist.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (34) zur Messung der Tempera­ tur des Kühlwassers vorgesehen ist.

15. Brennkraftmaschine nach 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (32) zur Messung der Tempera­ tur der Außenluft vorgesehen ist.

16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorerhitzung des Kraftstoffes ein Kühlwasser- Wärmetauscher (26) vorgesehen ist, durch den eine zu dem wenigstens einen Einspritzventil (6) füh­ rende Kraftstoffzuführleitung (4) verläuft.

17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorerhitzung des Kraftstoffes ein Abgaswärme­ tauscher (23) vorgesehen ist durch den eine zu dem wenigstens einen Einspritzventil (6) führende Kraftstoffzuführleitung (4) verläuft.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser-Wärmetauscher (26) eine durch einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine (1) verlaufen­ de Leitung aufweist.