DE10052336A1 - Brennkraftmaschine mit Einblasung von gasförmigem Kraftstoff - Google Patents
Brennkraftmaschine mit Einblasung von gasförmigem KraftstoffInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine, bei der in einen Arbeitsraum von einer Gaseinblasedüse brennbarer gasförmiger Kraftstoff eingebracht und dieser von einer Zündvorrichtung entzündet wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist ein aus einer Kraftstoffaustrittsöffnung der Gaseinblasedüse 4 austretender Kraftstoffstrahl auf die Zündvorrichtung 5 derart ausgerichtet, dass der Kraftstoffstrahl in dem Bereich von zumindest einer Brennstoffdurchtrittsöffnung 7 auftrifft, die in eine die Zündvorrichtung 5 umgebende Abschirmhülse 8 eingelassen sind. Die Abschirmhülse 8 bewirkt, dass einerseits der Raum 9 zwischen der Abschirmhülse 8 und der Zündvorrichtung 5 vor den pulsierenden Strömungen des Brennstoff-Luftgemisches in dem Arbeitsraum abgeschirmt ist, aber andererseits durch die Brennstoffdurchtrittsöffnung 7 in Verbindung mit der düsennahen Anordnung der Zündeinrichtung gezielt Kraftstoff in den Raum eingeleitet und entzündet wird. Dadurch ist ein betriebssicherer und zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer
luftverdichtenden Brennkraftmaschine, die zumindest einen eine
Brennraummulde beinhaltenden Kolben aufweist, der in einem von einem
Zylinderkopf unter Bildung eines Arbeitsraumes abgedeckten Zylinder
bewegbar ist, wobei in dem Zylinderkopf eine zu der Brennraummulde im
wesentlichen zentrisch ausgerichtete Gaseinblasedüse, durch die ein
brennbarer, gasförmiger Kraftstoff in den Arbeitsraum eingebracht wird
sowie eine in geringem Abstand zur Gaseinblasedüse angebrachte, in die
Brennraummulde hineinragende Zündvorrichtung angeordnet ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechend ausgebildete
Brennkraftmaschine.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der US 5,329,908 bekannt. Die
Gaseinblasedüse ist so ausgebildet, dass der gasförmige Kraftstoff sich
beim Einblasevorgang durch eine dann gebildete ringförmige
Austrittsöffnung als Wolke in die Brennraummulde ausbreitet. Ein Teil der
Wolke trifft dabei auf eine Zündvorrichtung in Form einer Glühkerze und
das sich bildende Gas-Luftgemisch wird an der Glühkerze entzündet. Ist
hierbei der Gasdruck hoch genug, erfolgt die Gaseinblasung kurz vor dem
oberen Totpunkt, um so bei inhomogener Gemischbildung einen dem
Dieselmotor vergleichbaren Wirkungsgrad zu erzielen. Sinkt jedoch der
Druck des gasförmigen Kraftstoffs unter einen vorgegebenen Wert, z. B.
unter 2.000 psi (137 bar) ab, wird von einem Steuergerät der
Einblasebeginn und die Einblasedauer in den Bereich des unteren
Totpunkts des jeweiligen Kolbens in dem entsprechenden Zylinder verlegt,
um einen gegenüber dem Zylinderinnendruck ausreichend hohen
Gasdruck zu erreichen und so ein Einströmen des gasförmigen
Kraftstoffes in den Zylinder sicherzustellen. Hierbei wird ein für die
ottomotorische Verbrennung typisches homogenes Gemisch gebildet,
dass durch die bestehende Neigung zu klopfender Verbrennung ein
gegenüber Verbrennungsverfahren mit inhomogener Brennstoff-Luft-
Gemischbildung erheblich reduziertes Verdichtungsverhältnis erfordert.
Da die Brennkraftmaschine mit einem konstanten Verdichtungsverhältnis
betrieben wird, richtet sich das zu wählende Verdichtungsverhältnis nach
der Betriebsart mit der höchsten Klopfneigung, also bei homogener
Gemischbildung. Dadurch sind sowohl ein unzuverlässiger, nicht
aussetzerfreier Betrieb dieser Brennkraftmaschine besonders unter den
für den Fahrzeugbetrieb typischen instationären Betriebsbedingungen als
auch ein nicht optimales Vollastwirkungsgradverhalten gegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum
Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine sowie eine entsprechend
ausgebildete Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem unter allen
Betriebsbedingungen ein zuverlässiger und sehr schadstoffarmer Betrieb
bei gleichzeitig für selbstzündende Brennkraftmaschinen typischen hohen
Wirkungsgraden möglich ist.
Dieser Aufgabe liegt zunächst einmal die Erkenntnis zugrunde, dass die
Verminderung der Schadstoffemissionen von Dieselmotoren einen wesentlichen
Beitrag zur Verbesserung der Luftqualität, besonders im innerstädtischen
Bereich bzw. in Ballungsräumen darstellt. Hierzu können, insbesondere wegen
der erheblich geringeren Partikel- und Stickoxidemissionen sowie dem deutlich
verminderten Beitrag zur Smogbildung der Einsatz schadstoffarmer Erdgas
motoren eine deutliche Reduzierung der Schadstoffbelastung bewirken.
Heutige in Nutzfahrzeugen eingesetzte Gasmotoren arbeiten nach dem Otto-
Verfahren mit homogener Gemischbildung, Fremdzündung und Drosselregelung.
und werden wegen der im Nutzfahrzeugbereich erforderlichen Leistungs- und
Drehmomentcharakteristik, überwiegend von konventionellen Dieselmotoren
abgeleitet. Das gegenüber dem Dieselmotor geänderte Gemischbildungs
verfahren sowie die Fremdzündung erfordern Modifikationen an Ansaugsystem
und Zylinderkopf. Aufgrund des geänderten Verbrennungsprozesses ist
außerdem eine geänderte Brennraummulde im Kolben erforderlich. Die
Motorenhersteller sind meistens bestrebt die Anzahl der an den Gasbetrieb
anzupassenden Motorkomponenten so gering wie möglich zu halten. Hierdurch
wird versucht, möglichst unter Beibehaltung der für konventionelle
Nutzfahrzeugmotoren üblichen hohen Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit die
höheren Herstellungskosten für Gasmotoren in Grenzen zu halten.
Da Nutzfahrzeug-Gasmotoren anfänglich vor allem unter dem Gesichtspunkt
niedriger Schadstoffemissionen eingesetzt wurden, wurden überwiegend mit
stöchiometrischem Gas-Luftgemisch arbeitende Verbrennungsverfahren in
Verbindung mit einem Dreiwegkatalysator eingesetzt. Die Gaszumischung
erfolgte meist durch einen zentral im Ansaugsystem angeordneten Gasmischer
mit elektronisch geregelter Gaszufuhr. Bei neueren Gassystemen wird zur
Verbesserung der Gemischgleichverteilung und der Einhaltung der
stöchiometrischen Gemischzusammensetzung bei instationärem Motorbetrieb
auf eine "Multipoint" Einblasung vor das Einlassventil eines jeden Zylinders
übergegangen. Zur Einhaltung des für den Dreiwegkatalysatorbetrieb
erforderlichen stöchiometrischen (λ = 1) Gas-Luftgemisches wird die von
Benzinmotoren her bekannte "Closed-Loop" Lambda-Regelung mittels
Sauerstoffsensor eingesetzt. Das Verdichtungsverhältnis wird im allgemeinen
zur Sicherstellung einer ausreichenden Sicherheit gegenüber klopfender
Verbrennung auf Werte von 11 bis 11,5 begrenzt.
Die mit nicht aufgeladenen λ = 1-geregelten Gasmotoren erreichbare Leistung
liegt, aufgrund der Verminderung des vom Motor angesaugten Luftvolumens
durch das im Saugrohr zugemischte Gas, um etwa 5% unter der dem Niveau
vergleichbarer Saugdieselmotoren. Im Vergleich zu den heute üblichen
aufgeladenen Dieselmotoren ergeben sich unter Berücksichtigung der
grundsätzlich höheren thermischen Belastung bei Gasmotoren Minderleistungen
von bis zu 15%. Hierbei ist schon die durch die zusätzliche Anwendung der
Abgasrückführung mit AGR-Raten von bis zu 15% mögliche Absenkung der
thermischen Belastung berücksichtigt. Ein vollständiger Ausgleich der
Minderleistung bei Gasmotoren läßt sich nur über eine Vergrößerung des
Hubraumes erreichen.
Das Verbrauchsverhalten von für λ = 1-geregelten Nutzfahrzeug-Gasmotoren ist
verfahrensbedingt durch einen gegenüber vergleichbaren Dieselmotoren
energetischen Mehrverbrauch von 15 bis 20% im stationären 13-Stufen Test
gekennzeichnet. Bei Betrieb mit hohen Niedriglastanteilen, wie z. B. für den
Stadtbusbetrieb typisch, wurden aufgrund der Drosselregelung sogar
Mehrverbräuche von über 40% ermittelt.
Die bei stöchiometrisch geregelten Gasmotoren gegenüber heutigen
Dieselmotoren bestehenden Leistungs- und Verbrauchsnachteile lassen sich
durch den Einsatz von Magermotorkonzepten deutlich reduzieren. Die
Gemischbildung erfolgt meist in Strömungsrichtung hinter dem Turbolader durch
einen zentral im Ansaugsystem angeordneten elektronisch geregelten
Gasmischer. Bei Verdichtungsverhältnissen von 11 bis 11,5 weist der
Magermotor grundsätzlich ähnliche Brennraumgeometrien auf wie sie bei λ = 1-
geregelten Motoren üblich sind. Aufgrund der mit zunehmender Abmagerung des
Erdgas-Luftgemisches stark abnehmenden Verbrennungsgeschwindigkeit muss
durch eine geeignete Abstimmung z. B. der Quetschspaltströmung einer zu stark
verschleppten Verbrennung mit entsprechend erhöhten HC Emissionen
entgegengewirkt werden. Die mit heutigen Magermotoren realisierbaren
Luftverhältnisse liegen bei hohen Motorlasten und damit höheren
Brenngeschwindigkeiten nicht über λ = 1,5. Bei niedrigeren Motorlasten wird
jedoch die Magerlauffähigkeit entsprechend dem niedrigeren Verbrennungs
temperaturniveau auf λ-Werte von 1,1 bis 1,3 begrenzt.
Die bei Magermotoren geringere thermische Bauteilbelastung erlaubt im
Vergleich zu λ = 1-geregelten Gasmotoren eine deutliche Anhebung der
Ladedrücke, so dass in Verbindung mit Ladeluftkühlung effektive Mitteldrücke
von bis zu 14 bar möglich sind. Damit entspricht der Drehmomentverlauf
weitgehend dem einer großen Anzahl heute auf dem Markt befindlicher
Dieselmotoren. Im Vergleich zu dem bei Euro 3 Dieselmotoren erreichten
Leistungsniveau treten bei Magergasmotoren immer noch zum Teil erhebliche
Leistungseinbußen auf.
Da die Abmagerungsfähigkeit heutiger Mager-Gasmotoren besonders im unteren
Teillastbereich durch einen schleppenden Verbrennungsablaufes von Erdgas auf
λ-Werte von 1,2 bis 1,4 beschränkt ist, ist auch bei diesen Motoren eine
Drosselregelung erforderlich. Dementsprechend werden im ECE R49 Abgastest
gegenüber vergleichbaren Dieselmotoren je nach Auslegung des
Motorkonzeptes mehr als 15% höhere Verbrauchswerte festgestellt. Im
praktischen Fahrbetrieb z. B. eines Linienbusses, ergeben sich damit erhöhte
Kraftstoffverbrauchswerte von bis zu 30%.
Erdgas-Magerkonzepte zur Einhaltung der für das Jahr 2005 bestehenden
Grenzwerte (Euro 4) dürften im wesentlichen durch die Weiterentwicklung
bestehender Magermotorkonzepte im Hinblick auf eine Erweiterung der
Magerlaufgrenzen zur Reduzierung der NOx-Emissionswerte unter die Grenze
von 3 g/kWh gekennzeichnet sein. Hierzu werden Brennverfahren mit
intensivierter Ladungsbewegung zur Kompensation der bei sehr mageren
Gemischen stark abnehmenden Brenngeschwindigkeit mit relativen A/F
Verhältnis von bis zu 1,6 in vollastnahen Betriebspunkten entwickelt.
Entsprechende Magermotoren weisen neben Brennverfahren mit erweiterter
Magerlauffähigkeit eine Abgasturboaufladung mit Ladeluftkühlung auf. Das
Verdichtungsverhältnis liegt je nach Konzept zwischen 11,7 und 13. Die mit
solchen Konzepten im ECE R49 Abgastest erreichbaren NOx-Werte dürften, bei
HC-Werten vor Katalysator von etwa 2,9 g/kWh, zwischen 1,5 g/kWh und 2 g/kWh
liegen.
Aufgrund des hohen Verdichtungsverhältnisses sowie dem mageren Betrieb
zumindest im Vollastbereich lässt sich der maximale Motorwirkungsgrad auf bis
zu 40% steigern. Über dem ECE R49 Testzyklus dürften sich damit gegenüber
zukünftigen Dieselmotorkonzepten der Emissionsstufe Euro 4 nur noch um etwa
5% bis 15% höhere Verbrauchswerte ergeben. Die erreichbaren Mitteldrücke
liegen je nach Auslegung des Turboladers bei einem maximalen effektiven
Mitteldruck von 14 bar bis 18 bar.
In neuerer Zeit sind neben den Entwicklungen auf dem Gebiet der homogenen
Magerverfahren auch Verfahren mit Hochdruck-Gaseinspritzung direkt in den
Brennraum vorgestellt worden. Hierbei handelt es sich um ungedrosselte,
hochverdichtete (Verdichtungsverhältnis 16 bis 18) Gasmotoren, mit denen
versucht wird, das niedrige Schadstoffemissionsniveau von Gasmotoren mit
homogener Gemischbildung (Otto-Gasmotoren) mit dem erheblich
besseren Wirkungsgradverhalten von direkteinspritzenden Dieselmotoren
zu verbinden. Außerdem sollte eine weitgehende Unempfindlichkeit des
motorischen Betriebsverhaltens von der Methanzahl des eingesetzten
gasförmigen Kraftstoffes erreicht werden.
Der gasförmige Kraftstoff wird hierbei gegen Ende des Verdichtungstaktes
unter hohem Druck von etwa 200 bar direkt in den im Kolben angeordneten
Brennraum eines ungedrosselten, hochverdichteten Motors eingeblasen.
Dadurch bildet sich, ähnlich wie beim Dieselmotor, ein inhomogenes Gas-
Luftgemisch. Das Gas wird mittels eines schnellschaltenden Gaseinblaseventils
in die weitgehend der Brennraumform bei Dieselmotoren entsprechende
Kolbenmulde eingeblasen. Wegen der unzureichenden Selbstzündungswilligkeit
von Erdgas, wird die Zündung des Gemisches durch eine Zündquelle wie z. B.
eine Glühkerze sichergestellt. Das zur Einspritzung des Erdgases erforderliche
Einblasesystem besteht aus einem zentralen Gasverteilsystem sowie aus
elektromagnetisch oder elektro-hydraulisch betätigten Gasventilen, durch die
kennfeldgesteuert die Dosierung und die Einblasebeginnanpassung des
Kraftstoffes erfolgt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei konstant auf 200 bis 300 bar
gehaltenem Gaseinblasedruck ein aus einer Kraftstoffaustrittsöffnung der
Gaseinblasedüse austretender Kraftstoffstrahl mit geringer freier
Strahllänge von 5 bis 10 Prozent des Brennraummuldendurchmessers auf
die Zündvorrichtung derart ausgerichtet ist, dass der Kraftstoffstrahl in
dem Bereich von zumindest einer Brennstoffdurchtrittsöffnung auftrifft, die
in eine die Zündvorrichtung umgebende Abschirmhülse eingelassen ist.
Entsprechend ist die Brennkraftmaschine ausgebildet. Die Abschirmhülse
bewirkt, dass einerseits der Raum zwischen der Abschirmhülse und der
Zündvorrichtung vor den pulsierenden Strömungen des Brennstoff-
Luftgemisches in dem Arbeitsraum abgeschirmt ist, aber andererseits
durch die Brennstoffdurchtrittsöffnung gezielt ein Kraftstoffstrahl in den
Raum eingeleitet und entzündet wird. Durch die erfindungsgemäße
Gestaltung der Zündvorrichtung in Kombination mit dem auf die
Zündvorrichtung ausgerichteten Zündstrahl geringer freier Strahllänge ist,
wie Versuche ergeben haben, in Verbindung mit einem für selbstzündende
Brennkraftmaschinen (Dieselmotoren) typischen hohen Verdichtungs
verhältnis ein betriebssicherer, zuverlässiger und schadstoffarmer Betrieb
der Brennkraftmaschine gewährleistet. Darüber hinaus ist durch die
Abschirmung der Zündvorrichtung die zuzuführende Heizleistung deutlich
gegenüber der bekannten Ausführung reduzierbar.
In weiterer Ausgestaltung ist die Gaseinblasedüse mit weiteren
Kraftstoffaustrittsöffnungen zur Verteilung des Kraftstoffs in dem
Brennraum versehen. Der durch diese Kraftstoffaustrittsöffnungen
austretende gasförmige Kraftstoff wird gleichmäßig in die
Brennraummulde verteilt und vermischt sich mit der Brennluft. Das so
entstandene Gemisch wird von dem an der Zündvorrichtung entzündeten
Kraftstoffstrahl, der sich nach seiner Entzündung ebenfalls in den
Brennraum ausbreitet, entflammt. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung die Gaseinblasedüse bevorzugt mit fünf bis zwölf
Kraftstoffaustrittsöffnungen versehen. Hier erfolgt die Auswahl unter
anderem aufgrund des Kolbendurchmessers, des Brennraum
durchmessers, der in Abhängigkeit von der maximalen
Kurbelwellendrehzahl erforderlichen Drallunterstützung der Kraftstoff-Luft-
Gemischbildung sowie allgemein der Einsatzbedingungen.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Gaseinblasedüse zentrisch zu der
Brennraummulde ausgerichtet und die Zündvorrichtung seitlich zu der
Gaseinblasedüse in die Brennraummulde hineinragend angeordnet. Durch
die zentrische Anordnung ist eine gleichmäßig verteilte Einblasung des
Kraftstoffs insbesondere in die Brennraummulde und demzufolge auch
eine vollständige Vermischung mit der Brennluft ermöglicht
beziehungsweise gewährleistet. Gleichzeitig ermöglicht die zentrische
Anordnung der Gaseinblasedüse die Ausbildung des Zylinderkopfs als
Drei- oder Vierventil-Zylinderkopf.
In weiterer Ausgestaltung ist die Abschirmhülse mit zwei bis zehn,
bevorzugt mit vier bis sechs Brennstoffdurchtrittsöffnungen versehen. Die
Auswahl erfolgt wieder unter anderem aufgrund des Kolbendurchmessers,
des Brennraumdurchmessers, der maximalen Kurbelwellendrehzahl und
allgemein der Einsatzbedingungen. Dabei ist es so, dass durch bevorzugt
zwei Brennstoffdurchtrittsöffnungen der Kraftstoffstrahl in die
Abschirmhülse eintritt, entzündet wird und der entzündete Strahl durch die
restlichen Brennstoffdurchtrittsöffnungen in die Brennraummulde austritt.
Insgesamt weist die Abschirmhülse somit bis zu sechs
Brennstoffdurchtrittsöffnungen auf.
In Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein aus einer
Kraftstoffaustrittsöffnung austretende Kraftstoffstrahl auf eine als
Eintrittsöffnung ausgebildete Brennstoffdurchtrittsöffnung ausgerichtet
und die übrigen unterhalb der Eintrittsöffnung als Austrittsöffnungen
ausgebildeten Brennstoffdurchtrittsöffnungen sind so ausgerichtet, dass
durch das aus der Abschirmhülse austretende brennende Kraftstoff-Luft-
Gemisch Gemischteile im Bereich der Strahlwurzel unter der
Gaseinblasedüse entflammt werden. Diese Ausbildung beziehungsweise
das entsprechende Verfahren stellt sich für ein zuverlässiges und
betriebssicheres Betreiben der Brennkraftmaschine besonders günstig
dar, da durch die Ausrichtung des aus einer Kraftstoffaustrittsöffnung der
Gaseinblasedüse austretenden Gasstrahles auf eine als Eintrittsöffnung
ausgebildete Brennstoffdurchtrittsöffnung in der Abschirmhülse der
Glühzündeinrichtung das rasche Austreten eines brennenden Gasstrahles
relativ wenig behindert wird und damit ein für das Betriebsverhalten der
Brennkraftmaschine vorteilhafter sehr kurzer Zündverzug erreicht wird.
Insbesondere sind so Zündverzüge möglich, die deutlich kürzer sind, als
die jeweils entsprechenden Einblasedauern für den gasförmigen
Kraftstoff.
Vorteilhaft ist die Zündvorrichtung in einer Entfernung von 5% des
Durchmessers der Brennraummulde bei größeren Zylinderdurchmessern
bis 10% bei kleineren Zylinderdurchmessern von der Gaseinblasedüse
entfernt angeordnet. Bei normalen Brennkraftmaschinen ist demzufolge
die Zündvorrichtung weitgehend unabhängig von der Zylindergröße fünf
bis sieben Millimeter von der Gaseinblasedüse entfernt angeordnet.
In Weiterbildung der Erfindung wird eine Kraftstoffmenge von 5% bis 10%
der Vollastmenge vor der Haupteinkraftstoffmenge in den Arbeitsraum
eingebracht. Die vor der Hauptmenge des Kraftstoffes in den Brennraum
gelangende Gasmenge wird an der Zündvorrichtung entflammt und führt
zu einer Verkürzung des Zündverzuges der Hauptgasmenge. Hierdurch
wird zum einen ohne Erhöhung der Oberflächentemperatur der
Glühzündeinrichtung eine intensivere und damit stabilere Entflammung
des Kraftstoff-Luftgemisches als Voraussetzung für geringe Emissionen an
Kohlenmonoxid und unverbranntem Kraftstoff erreicht, andererseits liegt
zum Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung eine kleinere zündfähige
Gemischmenge vor, wodurch eine geringere Wärmefreisetzungsrate und
damit ein geringeres Verbrennungsgeräusch auftreten.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Verlauf der Haupteinspritzmenge in zwei bis vier hintereinander
erfolgende einzelne Einblasevorgänge unterteilt wird. Hierdurch wird eine
besonders für das Glühzündungsverfahren vorteilhafte Steuerung der
zeitlichen und örtlichen Verteilung des Kraftstoff-Luftgemisches im
Brennraum und damit des Brennverlaufes derart erreicht, dass
insbesondere zu Beginn der Verbrennung eine rasche Ausbreitung der
brennenden Gemischzonen in der Nähe der Zündeinrichtung auftritt. Im
weiteren Verlauf des Kraftstoffeinblasevorganges kann durch eine
Erhöhung der Einblasemenge bei stabilen Brennverhältnissen eine zur
Erreichung hoher thermischer Wirkungsgrade vorteilhafte Verkürzung der
gesamten Verbrennungsdauer erreicht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die
Kraftstoffaustrittsöffnungen an die für die Darstellung des
Vollastverhaltens erforderlichen großen Durchflussquerschnitte
angepasst. Hierdurch ergibt sich allerdings bei Verwendung von
Einspritzdüsen mit konstantem Kraftstoffaustrittsquerschnitt eine für die
Stabilität der Kraftstoffentflammung bei niedriger Motorlast und
entsprechend geringen erforderlichen Kraftstoff-Einblasemengen, eine für
die stabile Entflammung an der Zündeinrichtung ungünstig kurze
Einblasedauer. Daher ist es vorteilhaft die bei geringen Motorlasten zur
Erreichung einer stabilen Entflammung jeweils optimale Einblasedauer
durch eine entsprechende Anpassung des Ventilnadelhubes und damit
des Düsendurchflussverhaltens einzustellen. Darüber hinaus haben
Versuche ergeben, dass der Verbrennungsablauf des Kraftstoff-
Luftgemisches durch die Anpassung des zeitlichen Verlaufes der
Einblasung der Hauptkraftstoffmenge mittels eines während des
Einblasevorganges variierenden Ventilnadelhubes in sehr vorteilhafter
Weise beeinflusst werden kann.
Zur genauen Regelung des Einblasevorganges und zur Sicherstellung
eines für alle Zylinder der Brennkraftmaschine gleichen
Verbrennungsablaufes ist es erforderlich, dass zumindest der
Einblasezeitpunkt, bei variablem Einblasequerschnitt außerdem auch der
Düsennadelhub betriebspunktabhängig durch die Messung der
Ventilöffnung eines oder aller Gaseinblasedüsen erfasst wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine betriebspunktabhängige Regelung
der elektrischen Heizleistung für die Glühelemente vorgesehen, da
besonders bei hohen Motorlasten und den dabei auftretenden höheren
Brennraumtemperaturen der Zündvorrichtung Verbrennungswärme
zugeführt wird und so die zur Erhaltung der für die Oberflächenzündung
erforderlichen elektrische Heizleistung reduziert werden kann. Hierdurch
wird eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer der Zündvorrichtung
erreicht. Andererseits ist bei niedrigen Motorlasten mit den damit
verbundenen niedrigeren Brennraumtemperaturen sowie bei höheren
Motordrehzahlen und niedrigen Motorlasten ein größerer Wärmeverlust
der Zündeinrichtung verbunden, der zur Darstellung eines aussetzerfreien
und schadstoffarmen Motorbetriebs durch eine Anhebung der elektrischen
Leistung der Zündvorrichtung kompensiert werden muss.
Aufgrund der bei der erfindungsgemäßen Ausführung des
Glühzündvorrichtung erreichbaren hohen Zündsicherheit des Kraftstoff-
Luftgemisches lässt sich vorteilhaft zur Verminderung der
Stickoxidemission das Abgas der Brennkraftmaschine geregelt und
betriebspunktabhängig gekühlt und/oder ungekühlt mit Abgasrück
führraten von bis zu 70 Prozent in die Verbrennungsluftzuführung der
Brennkraftmaschine zurückzuführen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeich
nungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist. Es stellen dar:
Fig. 1: eine Seitenansicht der zu einer Brennraummulde ausgerichteten
Gaseinblasedüse und Zündvorrichtung,
Fig. 2: eine Detailansicht der Zündvorrichtung nach Fig. 1 und
Fig. 3: ein Gesamtschema der fahrzeugseitigen Kraftstoff- und
Hydraulikversorgung sowie die Regelung des Gesamtsystems
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die erfindungswesentlichen
Bauteile der luftverdichtenden Brennkraftmaschine dargestellt. Diese kann
in Reihen- oder V-Bauart mit beliebigen Zylinderzahlen und beliebigem
Hubvolumen ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine weist zumindest
eine Brennraummulde 1 enthaltenden Kolben 2 auf, der in einem von
einem nicht dargestellten Zylinderkopf unter Bildung eines Arbeitsraumes
abgedeckten Zylinder 3 bewegbar ist. In diesem Arbeitsraum, der im
wesentlichen aus der Kolbenmulde (Brennraummulde) 1 besteht, wird die
schnelle Bildung eines Kraftstoff-Luftgemisches durch eine zum Zeitpunkt
der Gaseinblasung bestehende Ladungsrotation unterstützt. In dem
Zylinderkopf ist eine zu der Kolbenmulde 1 ausgerichtete
Gaseinblasedüse 4, durch die ein brennbarer gasförmiger Kraftstoff in den
Arbeitsraum eingebracht wird, sowie eine in die Brennraummulde 1
hineinragende Zündvorrichtung 5 angeordnet. Die Gaseinblasedüse 4 ist
zentrisch zu der Brennraummulde 1 ausgerichtet und weist vorzugsweise
sieben (7) Kraftstoffaustrittsöffnungen 6 auf.
Eine der Kraftstoffaustrittsöffnungen 6a ist auf die Zündvorrichtung 5
derart ausgerichtet, dass der aus dieser Kraftstoffaustrittsöffnung 6a
austretende Kraftstoffstrahl in den Bereich von zumindest einer der
Brennstoffdurchtrittsöffnungen 7 auftrifft, die in eine die Zündvorrichtung 5
umgebende Abschirmhülse 8 eingelassen sind. Zumindest eine der
Brennstoffdurchtrittsöffnungen 7 dient als Eintrittsöffnung 7a (Fig. 2) in
den freien, zylinderförmigen Raum 9 zwischen der Zündvorrichtung 5 und
der Abschirmhülse 8. Die Anordnung der Zündvorrichtung im Zylinderkopf
ist nun so gewählt, dass der aus der Kraftstoffaustrittsbohrung 6a
austretende Kraftstoffstrahl eine freie Strahllänge von 5% bis 10% des
Brennraummuldendurchmessers aufweist. Hierdurch wird sichergestellt,
dass unter allen Betriebsbedingungen eine ausreichend stabile Gaswolke
vor den Eintrittsöffnungen 7a in der Abschirmhülse der Zündvorrichtung
gebildet wird. Der in den Raum zwischen dem Heizelement 5a der
Zündvorrichtung 5 und der Abschirmhülse 8 eingetretene Kraftstoff, der
mit Brennluft vermischt ist, wird an der heißen Oberfläche des
Heizelementes 5a entzündet. Das brennende Gemisch breitet sich entlang
des zylinderförmigen Raums 9 aus und tritt durch weitere als
Austrittsöffnungen 7b fungierende Brennstoffdurchtrittsöffnungen 7 wieder
aus dem Raum 9 aus. Diese Austrittsöffnungen 7b liegen unterhalb der
Eintrittsöffnungen 7a. Von diesem ausgetretenen Gemisch werden
Gemischteile im Bereich der Strahlwurzel der aus den weiteren
Kraftstoffaustrittsöffnungen 6 austretenden Kraftstoffstrahlen unter der
Gaseinblasedüse 4 entflammt.
Das Gaseinblaseventil 4 ist als hydraulisch betätigtes Gasventil
ausgeführt, wobei die Steuerung des Hydraulikdruckes durch ein
elektromagnetisches Hydraulikventil erreicht wird. Zur Realisierung von
Voreinblasung sowie mehrfach unterteilter Einblasung der
Haupteinblasung ist es sinnvoll, ein durch einen Piezoaktor angetriebenes
Hydraulikschaltventil zu verwenden, da dieses eine ausreichend hohe
Schaltfrequenz aufweist. Versuche haben gezeigt, dass die Kombination
eines Piezoaktor angetriebenen Hydraulikschaltventils mit dem
hydraulischen Antrieb des Gasventils die Anforderungen an
Schaltfrequenz sowie Genauigkeit von Einblasebeginn und
Gaseinblasedauer erfüllt.
Die in Fig. 1 dargestellte Zündeinrichtung 5 besitzt ein keramisches
Heizelement 5a, da auf diese Weise eine hohe Haltbarkeit der
Zündeinrichtung gewährleistet werden kann. Zusätzlich kann zur weiteren
Verbesserung der Standfestigkeit der Zündeinrichtung 5 die
Abschirmhülse 8 aus einem keramischen Material gefertigt werden. Eine
aufgrund des bei kleineren Motoren und damit baugrößenbedingt geringen
Volumens des zylinderförmigen Raumes 9 zwischen der Zündvorrichtung
5 und der Abschirmhülse 8 verminderte an der heißen Oberfläche
entflammte Gasmenge kann zu einer verschleppten Verbrennung und
entsprechend höheren Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen
führen. In diesem Fall führt eine katalytische Beschichtung der
Abschirmhülse 9 mit Platin oder Palladium zu einer Beschleunigung des
Entflammungsvorganges und damit zu einer stabileren Verbrennung.
Da das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer
Verbrennungskraftmaschine mit direkt in den Brennraum eingeblasenem
gasförmigen Kraftstoff einen konstant hohen Gasdruck vor den
Gaseinblaseventilen 4 erfordert, ist für den Fall des Einsatzes in
Kraftfahrzeugen, ein entsprechend modifiziertes fahrzeugseitiges
Kraftstoffsystem einzusetzen. In Fig. 2 ist ein solches Kraftstoffsystem mit
den Einrichtungen zur Gasversorgung und zur Bereitstellung des
Hydraulikfluids zum Betrieb eines hydraulisch betätigten Gasventils 4
dargestellt. Das Gasventil wird durch ein Hydraulikfluid betätigt, das auf
einen mit der Ventilnadel verbundenen Kolben 10 wirkt. Die Versorgung
der bei einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine
entsprechenden Anzahl an Gaseinblaseventilen 4 erfolgt über eine
gemeinsame Versorgungsleitung 11, in der durch eine Hydraulikpumpe 12
ein Druck von 250 bis 300 bar erzeugt wird. Die Druckregelung erfolgt
mittels dem Druckregelventil 12 und zur Aufrechterhaltung des
Hydraulikdruckes auch nach Abschalten des Motors dient ein
Hydrospeicher 14.
Gasseitig wird das Gaseinblaseventil 4 über eine für alle Gasventile
gemeinsame Versorgungsleitung 15 mit einem Gasdruck von 200 bar
versorgt. Das Gas wird mit dem entsprechend dem Füllungszustand des
Gastanks 16 herrschenden Druck über einen fahrzeugtauglichen
Verdichter 17 und eine Druckregeleinrichtung 18 der Versorgungsleitung
15 zugeführt. Ist der Gastank mit einem Druck von 200 bar voll
aufgeladen, so wird der Verdichter mittels des Einblas- und
Motorsteuergerätes 19 so angesteuert, dass nur ein geringfügig höherer
Druck, der zur genauen Versorgungsleitungsdruckregelung erforderlich
ist, aufgebaut wird. Mit zunehmender Entnahme des Gases und
entsprechend geringer werdendem Druck, gemessen mittels eines
Druckgebers 21 am Gastank, wird die jeweils erforderliche Druckdifferenz
zur Darstellung eines konstanten Gaseinblasedruckes von 200 bar durch
den Verdichter 17 aufgebracht. Das Einblase- und Motorsteuergerät 19
steuert nicht nur das Magnetventil 20 im hydraulischen Teil des
Gaseinblaseventils 4 an, sondern regelt auch den Gasverdichter 17, den
Antrieb der Hydraulikpumpe 12 sowie die entsprechenden
Druckregelventile 13 und 18.
Claims (24)
1. Verfahren zum Betreiben einer luftverdichtenden
Brennkraftmaschine, die zumindest einen eine Brennraummulde
beinhaltenden Kolben aufweist, der in einem von einem Zylinderkopf unter
Bildung eines Arbeitsraumes abgedeckten Zylinder bewegbar ist, wobei in
dem Zylinderkopf eine zu der Brennraummulde im wesentlichen zentrisch
ausgerichtete Gaseinblasedüse, durch die ein brennbarer gasförmiger
Kraftstoff in den Arbeitsraum eingebracht wird, sowie eine in geringem
Abstand zur Gaseinblasedüse angebrachte, in die Brennraummulde
hineinragende Zündvorrichtung angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein aus einer Kraftstoff
austrittsöffnung (6) der Gaseinblasedüse (4) austretender Kraftstoffstrahl
auf die Zündvorrichtung (5) derart ausgerichtet ist, dass der Kraftstoff
strahl in dem Bereich von zumindest einer Brennstoffdurchtrittsöffnung (7)
auftrifft, die in eine die Zündvorrichtung (5) umgebende Abschirmhülse (8)
eingelassen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasedüse (4) mit weiteren
Kraftstoffaustrittsöffnungen (6a) zur Verteilung des Kraftstoffs in dem
Brennraum versehen ist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasedüse (4) zentrisch zu der
Brennraummulde (1) ausgerichtet und die Zündvorrichtung (5) seitlich zu
der Gaseinblasedüse (4) in die Brennraummulde (1) hineinragend
angeordnet ist und der auf die Abschirmhülse (8) der Zündvorrichtung (5)
gerichtete Kraftstoffstrahl eine freie Strahllänge von 5 bis 10 Prozent des
Durchmessers der Brennraummulde (1) aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der als Eintrittsöffnung (7a)
ausgebildeten ersten Brennstoffdurchtrittsöffnung (7) zumindest eine als
Austrittsöffnung (7b) ausgebildete weitere Brennstoffdurchtrittsöffnung (7)
so ausgerichtet ist, dass durch das aus der Austrittsöffnung (7b)
austretende brennende Kraftstoff-Luft-Gemisch Gemischteile im Bereich
der Strahlwurzel unter der Gaseinblasedüse (4) entflammt werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoffmenge von 5% bis 10% der
Vollastmenge vor der Haupteinspritzmenge in den Arbeitsraum
eingebracht wird.
6. Verfahren, nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Haupteinspritzmenge in
zwei bis vier hintereinander erfolgende einzelne Einblasevorgänge
unterteilt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffaustrittsöffnungen (6, 6a) an
die für die Darstellung des Vollastverhaltens erforderlichen
Durchflussquerschnitte angepasst sind.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei geringen Motorlasten die
zur Erreichung einer stabilen Entflammung jeweils optimale Einblasedauer
durch eine entsprechende Anpassung des Ventilnadelhubes und damit
des Düsendurchflussverhaltens eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsablauf des Kraftstoff-
Luftgemisches durch die Anpassung des zeitlichen Verlaufes der
Einblasung der Hauptkraftstoffmenge mittels eines während des
Einblasevorganges variierenden Ventilnadelhubes erreicht wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Einblasezeitpunkt betriebspunkt
abhängig (Kennfeldregelung) durch die Erfassung der Ventilöffnung einer
oder aller Gaseinblasedüsen (4) geregelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizleistung der
Zündvorrichtung (5) in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brenn
kraftmaschine so gesteuert wird, dass eine für die sichere Zündung des
Brennstoff-Luft-Gemisches erforderliche Oberflächentemperatur des
Zündvorrichtungselementes sichergestellt wird.
12. Verfahren, nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas der Brennkraftmaschine
geregelt und betriebspunktabhängig gekühlt und/oder ungekühlt in die
Verbrennungsluftzuführung der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird.
13. Luftverdichtende Brennkraftmaschine, die zumindest einen eine
Brennraummulde aufweisenden Kolben aufweist, der in einem von einem
Zylinderkopf unter Bildung eines Arbeitsraums abgedeckten Zylinder
bewegbar ist, wobei in dem Zylinderkopf eine zu der Brennraummulde
ausgerichtete Gaseinblasedüse, durch die ein brennbarer gasförmiger
Kraftstoff in den Arbeitsraum eingebracht wird, sowie eine in die
Brennraummulde hineinragende Zündvorrichtung angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (5) zumindest in dem
in den Brennraum hineinragenden Bereich von einer Abschirmhülse (8)
umfasst ist und dass in die Abschirmhülse (8) zumindest eine
Brennstoffdurchtrittsöffnung (7) eingelassen ist.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasedüse (4) zumindest eine
Kraftstoffaustrittsöffnung (6) aufweist, die zu der Brennstoffdurchtritts
öffnung (7) ausgerichtet ist.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasedüse (4) fünf bis zwölf,
Kraftstoffaustrittsöffnungen (6) aufweist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmhülse (8) zwei bis zehn,
bevorzugt vier bis sechs Brennstoffdurchtrittsöffnungen (7) aufweist.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kraftstoffstrahlen auf
die als Eintrittsöffnungen (7a) ausgebildeten Brennstoffdurchtritts
öffnungen (7) ausgerichtet ist und die übrigen unterhalb der
Eintrittsöffnungen (7a) als Austrittsöffnungen (7b) ausgebildeten
Brennstoffdurchtrittsöffnungen (7) auf den Bereich der Strahlwurzel der
aus der Abschirmhülse (8) austretenden brennenden Kraftstoff-Luft-
Gemisch Gemischteile unter der Gaseinblasedüse (4) ausgerichtet sind.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (5) in einer Entfernung
von 5% bis 10% des Durchmessers der Brennraummulde (1) von der
Gaseinblasedüse (4) entfernt angeordnet ist.
19. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (5) vier bis acht
Millimeter von der Gaseinblasedüse (4) entfernt angeordnet ist.
20. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasedüse (4) elektromagnetisch
geschaltet und hydraulisch angetrieben ist.
21. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasung mit Voreinblasung
beziehungsweise unterteilter Einblasung der Hauptkraftstoffmenge mit
einem hydraulisch angetriebenen Gaseinblaseventil unter Verwendung
eines Hydraulikventils mit Piezoaktors erfolgt.
22. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (5) ein keramisches
Heizelement ist.
23. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmhülse (8) aus einem
hochdichten Keramikmaterial mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht.
24. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmhülse (8) zur Verminderung
der erforderlichen Heizelement-Oberflächentemperatur eine katalytisch
wirksame Beschichtung zumindest auf der Innenseite der Abschirmhülse
(8) aufweist.
Priority Applications (9)
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