DE102006029754B4

DE102006029754B4 - Verfahren zum Betreiben einer mit Brenngas als Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006029754B4
Application number: DE102006029754A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Freisinger Normann; Dipl.-Ing. Rössler Klaus; Dipl.-Ing. Fürhapter Alois
Original assignee: AVL List GmbH; Daimler AG
Current assignee: AVL List GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: DE102006029754A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mit Brenngas als Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine (1), wobei das Brenngas pro Zylinder (2) über eine zentral im Brennraum (3) angeordnete Einblaseeinrichtung (11) mit einem definierten Einblasdruck eingeblasen wird, wobei der Einblasestrahl (6) innerhalb eines umhüllenden Kegelwinkels (α) in eine durch den Kolben (4) gebildete Mulde (5) erfolgt und das eingeblasene Brenngas durch die Wände (5a) und den Boden (5b) der Mulde umgelenkt wird und wobei eine Schichtladung im Bereich der Mulde (5) gebildet, das Kraftstoffluftgemisch bei einem definierten Verdichtungsverhältnis verdichtet und gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem Einblasedruck zwischen etwa 8 bar bis 30 bar, vorzugsweise zwischen 10 bar bis 20 bar, in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 120° und 30° vor dem oberen Totpunkt der Zündung eingeblasen wird, wobei der umhüllende Kegelwinkel (α) des eingeblasenen Gases zwischen 50° und 100° beträgt, dass der Umlenkwinkel (β) des umgelenkten Gases zwischen 90° und 180° beträgt, dass...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit Brenngas als Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei das Brenngas pro Zylinder über eine zentral im Brennraum angeordnete Einblaseeinrichtung mit einem definierten Einblasdruck eingeblasen wird, wobei der Einblasestrahl innerhalb eines umhüllenden Kegelwinkels in eine durch den Kolben gebildete Mulde erfolgt und das eingeblasene Brenngas durch die Wände und den Boden der Mulde umgelenkt wird und wobei eine Schichtladung im Bereich der Mulde gebildet, das Kraftstoffluftgemisch bei einem definierten Verdichtungsverhältnis verdichtet und gezündet wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der WO 2004/031557 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, wobei über eine mittig in einen Brennraum direkt einmündende Gaseinblaseeinrichtung Gas bei Drücken zwischen 120 bar und 300 bar eingeblasen wird, wobei der Einblasbeginn zwischen 20° vor bis 5° nach dem oberen Totpunkt der Verbrennung liegt. Das Verdichtungsverhältnis beträgt 16 bis 20, die Verbrennung erfolgt durch Selbstzündung des Kraftstoffes. Dieses Verfahren bedingt, dass das Gas durch einen Kompressor oder eine ähnliche Verdichtungseinrichtung auf einen relativ hohen Einblasedruck gebracht wird. Aufgrund der hohen Spitzendrücke ist auch die Triebwerksbelastung relativ hoch. Dies erfordert eine massive Bauweise der Brennkraftmaschine, was zu einem erhöhten Fertigungsaufwand, sowie zu erhöhter Reibung und somit Einbußen im Wirkungsgrad führt.
Die US 3,703,886 A offenbart eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei das Gas über eine Einblaseeinrichtung während des Einblastaktes in den Brennraum eingeblasen wird. Dem Gas wird während der Einblasphase ein Drall aufgeprägt. Während der Kompressionsphase wird das Gas aus der Gaskammer durch die Drallströmung mitgerissen, wobei der gasförmige Kraftstoff aufgrund seines niedrigen spezifischen Gewichtes durch die Drallströmung im Bereich der Glühkerze angereichert wird und eine Ladungsschichtung bewirkt.
Die DE 10 2007 050 623 A1 beschreibt ein Verfahren für einen mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor, wobei Kraftstoff direkt über ein Einspritzventil in den Brennraum bei variierendem Zuführdruck eingespritzt wird.
Aus der US 5,067,467 A ist eine Einrichtung zum Komprimieren und Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff aus einem variablen Druck aufweisenden Gasbehälter in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt.
Die WO 2005/031132 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Einspritzzeit einer Voreinspritzung im Bezug zu der Einspritzzeit einer Haupeinspritzung in den Zylinder einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.
Aus der WO 2005/031142 A1 ist ein Verfahren zum Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Kompressibilität des gasförmigen Kraftstoffes verwendet wird um den Kraftstoff in den Brennraum bei allen möglichem Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine einzubringen, wobei Kraftstoffstrahlgeschwindigkeiten unterhalb der Einspritzdüse im Bereich der Schallgeschwindigkeit im Bezug zur Brennraumumgebung erreicht werden. Durch die resultierende Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit passiert der Kraftstoff Schockwellen innerhalb des Brennraumes, was die Verbrennung des Kraftstoffes unterstützt, indem die Turbulenzbildung und Vermischung von Kraftstoff und Einlassladung innerhalb der Brennkammer gefördert werden.
Die EP 0 320 959 A2 offenbart eine Brennkraftmaschine, welche ausgebildet ist, um mit Erdgas im Dieselverfahren betrieben zu werden. Zur Unterstützung der Verbrennung ist im Brennraum eine Mischkammer zwischen Kolben und Zylinder angeordnet.
Weiterhin ist aus der DE 601 15 926 T2 ein Verfahren zur Einführung von gasförmigem Brennstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei in einem ersten Schritt ein erster gasförmiger Brennstoff in den Zylinder eingebracht wird und ein homogenes Gemisch bildet, welches den ersten gasförmigen Brennstoff und die Ansaugluft vor der Verbrennung umfasst, und wobei in einem zweiten Schritt ein zweiter gasförmiger Brennstoff in den Zylinder eingebracht wird. Der erste gasförmige Brennstoff verbrennt in einer vorgemischten Verbrennungsart, der zweite gasförmige Brennstoff verbrennt im Wesentlichen in einer Diffusionsverbrennungsart.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und den Herstellungsaufwand, sowie den Wirkungsgrad beim Betrieb der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch, das Gas mit einem Einblasedruck zwischen etwa 8 bar bis 30 bar, vorzugsweise zwischen 10 bar bis 20 bar, in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 120° und 30° vor dem oberen Totpunkt der Zündung eingeblasen wird, wobei der umhüllende Kegelwinkel des eingeblasenen Gases zwischen 50° und 100° beträgt, dass der Umlenkwinkel des umgelenkten Gases zwischen 90° und 180° beträgt, dass das Verdichtungsverhältnis des Kraftstoff/Luft-Gemisches zwischen 11,5 und 14, vorzugsweise zwischen 12 und 13 beträgt, dass das Kraftstoff/Luft-Gemisches durch eine Zündeinrichtung gezündet wird und dass dem geschichteten Kraftstoff/Luft-Gemisch eine Drallbewegung um die Zylinderachse aufgeprägt wird, wobei die Drallbewegung vorzugsweise durch die Einlassströmung der Luft während des Einlasstaktes initiiert wird.
Die Erfindung basiert auf einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
Es ist vorgesehen, dass die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Bereich des oberen Totpunktes, vorzugsweise zwischen 40° vor bis 20° nach dem oberen Totpunkt erfolgt.
Zur Verwirklichung des Verfahrens eignet sich eine Brennkraftmaschine mit zentral in den Brennraum einmündender Einblasevorrichtung, wobei die Mulde zwischen 30% bis 60% des gesamten Brennraumvolumens – im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens betrachtet – ausbildet und wobei vorzugsweise die Einblaseeinrichtung zentral in den Brennraum mit einem Abstand von der Zylinderachse, der maximal einem Viertel des Bohrungsdurchmessers entspricht, einmündet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Mulde im Wesentlichen scheiben- oder torusförmig ausgebildet ist.
Das Verfahren wird vorzugsweise mit einem Verdichtungsverhältnis von 12 bis 13 durchgeführt. Der Druck des Brenngases wird vom Speicherdruck im Speichermedium (üblicherweise etwa 200 bar) auf 10 bar bis 20 bar zur Einblasung reduziert. Grund für den relativ niedrig gewählten Einblasedruck ist, dass dadurch keine separate Pumpe nötig ist, um den gasförmigen Kraftstoff auf den Betriebsdruck zu komprimieren. Aufgrund dieses niedrigen Einspritzdruckes wegen des durch die Kompression erzeugten Gegendruckes im Brennraum muss verhältnismäßig früh und über einen relativ langen Zeitraum eingeblasen werden. Dies erfordert aber, dass das Gas im Bereich der Zündeinrichtung relativ lange geschichtet gehalten werden muss. Die scheiben- oder torusförmige Brennraummulde wirkt sich vorteilhaft auf diese Ladungsschichtung aus.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wand und der Boden der Mulde Umlenkflächen für durch die Gaseinblaseeinrichtung eingeblasenes Gas bilden, wobei ein durch den Boden und die Wand der Mulde definierter Umlenkwinkel zwischen 90° und 180° beträgt. Der Einblasestrahl wird bewusst zuerst Richtung Kolben geführt, durch die entsprechend ausgeführte Kolbenmulde wieder nach oben hingelenkt und gelangt so mit deutlichem zeitlichen Abstand zur Zündeinrichtung. Dadurch ist erst die relativ frühe Einblasung möglich, was aber auch den Vorteil hat, dass eine wesentlich bessere Durchmischung mit Luft erfolgt – eine Diffusionsverbrennung und somit Rußbildung wird verhindert. Die Umlenkung des Einblasestrahls wird gefördert, wenn die Mulde eine zentrale Erhebung aufweist.
Geeignete Quetschflächen zwischen dem Rand der Mulde und dem Kolbenrand unterstützen durch die Richtung Muldenmitte gerichtete Quetschströmung die Schichtung und halten die Schichtwolke kompakt in der Mulde.
Die Mulde kann eine rotationssymmetrische Form aufweisen, wobei vorzugsweise die Mulde konzentrisch zur Einspritzstrahlachse angeordnet ist. Die Symmetrieachse der Mulde kann dabei bezüglich der Zylinderachse exzentrisch und um einen Winkel geneigt sein, welcher vorzugsweise weniger als 30° beträgt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Kurbelwelle durch die Zylinderachse;
2 ein Detail aus 1;
3 einen Kolben der Brennkraftmaschine in einer Schrägansicht; und
4 ein Detail des Kolbens in einem Längsschnitt.
Die ottomotorisch betriebene Brennkraftmaschine 1 weist pro Zylinder 2 eine etwa zentral in den Brennraum 3 gaseinblasende Einblaseeinrichtung 11 auf. Das Brenngas wird dabei unter einem Einblasedruck zwischen 8 bar bis 30 bar in Richtung des Kolbens 4 geblasen. Der Kegelwinkel α des das eingeblasene Gas umhüllenden Kegels 6a beträgt dabei 50° bis 100°.
Das Brenngas wird in eine etwa mittig angeordnete Mulde des Kolbens 4 eingeblasen, wobei der Einblasezeitpunkt – abhängig von der Last und Drehzahl – im Bereich zwischen 120° und 30° Kurbelwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung lieg.
Die Mulde 5 des Kolbens 4 ist scheiben- oder torusförmig und weist solche Größe auf, dass etwa 30% bis 60% des gesamten Volumens des Brennraumes 3 durch die Mulde 5 gebildet wird (bezogen auf die Lage des Kolbens 4 in der oberen Totpunktstellung). Die Wand 5a und der Boden 5b der Mulde 5 spannen einen Umlenkwinkel β zwischen 90° und 180° für das eingeblasene Brenngas auf. Wie in 4 dargestellt ist, wird der Einblasestrahl 6 des Brenngases zuerst bewusst in Richtung des Kolbens 4 geführt, dann durch die entsprechend ausgeführte Mulde 5 wieder nach oben umgelenkt, und gelangt so mit deutlichem zeitlichen Abstand zur in der Brennraumdecke nahe dem Einblaseventil angeordneten Zündeinrichtung 12. Dadurch ist erst die relativ frühe Einblasung möglich, was aber auch den Vorteil hat, dass eine wesentlich bessere Durchmischung mit Luft erfolgt, eine Diffusionsverbrennung und somit Rußbildung wird damit verhindert.
Geeignete Quetschflächen 6 an der Oberfläche 4a des Kolbens 4 unterstützen durch die Richtung Muldenmitte gerichtete Quetschströmung 7 die Schichtung und halten die Gemischwolke 8 kompakt in der Mulde 5. Die Quetschströmung 7 wird einer luftseitig gebildeten Drallströmung 9 überlagert, welche durch die im Einlasstakt durch die Einlasskanäle 10 in den Brennraum 3 einströmende Einlassluft generiert wird.
Die Einblaseeinrichtung 11 kann nach außen öffnend ausgeführt sein, wie in 2 dargestellt ist. Alternativ dazu ist auch eine nach innen öffnende Einblaseeinrichtung 11 möglich. Die Einblasung kann über einen Ringspalt, eine Einlochdüse oder eine Mehrlochdüse erfolgen. Bei einer Mehrlochdüse wird für den Einspritzstrahlkegelwinkel α die Umhüllende aller Einzelkegel herangezogen. Die Düsennadel der Einblaseeinrichtung 11 kann direkt elektromagnetisch oder piezoelektrisch oder über einen hydraulischen Hub- oder Kraftverstärker, bzw. Zwischenkreis indirekt elektromagnetisch, bzw. piezoelektrisch betätigt werden.
Die Mündung der Einblaseeinrichtung 11 in den Brennraum 3 erfolgt möglichst zentral in einem Abstand b von der Zylinderachse 2a der maximal einem Viertel des Bohrungsdurchmessers D des Zylinders 2 entspricht. Die Strahlmittelachse 11a weist zur Zylinderachse 2a einen Winkel γ zwischen 0° und 40° auf.
Die nominale strahlumhüllende Fläche (Einspritzstrahlkegel 6a), welche sich aus der Verlängerung der Strahlführung 11b an der Einlasseinrichtung 11 ergibt, weist auf den ersten 10 mm Strahllänge überall einen Abstand a von mindestens 1 mm zur Brennraumwandung 10 auf, wie in 2 ersichtlich ist.
Die Mulde 5 ist bevorzugt rotationssymmetrisch zu einer Achse 5' ausgebildet. Die Achse 5' der Mulde 5 kann geneigt und/oder exzentrisch bezüglich der Zylinderachse 2a angeordnet sein.
Der bevorzugte Durchmesser d der Mulde 5 ergibt sich aus der Durchdringung des Einspritzstrahlkegels 6a mit der Kolbenoberfläche 4c zu einem Zeitpunkt 30° bis 45° Kurbelwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt der Zündung, wobei die Durchdringungskurve vollständig innerhalb der Mulde 5 zu liegen kommt.
Die Position des durch eine Zündeinrichtung 12 erzeugte Zündkerns, bzw. Funkens oder Plasmas liegt innerhalb eines Bereiches, welcher sich aus der Kolbenmulde 5 und einem sich oberhalb der Kolbenmulde 5 befindlichen Abschnitt des Brennraumes 3 definiert, beispielsweise auf halbem Muldendurchmesser in Höhe des Kolbenmuldenrandes bei oberer Totpunktstellung des Kolbens 4.
Der Bereich des Strahlaustrittes des Gasstrahles 6 aus der Einblaseeinrichtung 11 ist im Falle einer nach außen öffnenden Düse so gestaltet, dass bei überkritischem Druckverhältnis die Nachexpansion den Strahl in eine bevorzugte Richtung, nämlich Richtung Kolben 4, ablenkt. Damit ist es möglich, in Abhängigkeit des Druckverhältnisses, die Strahlausformung zu verändern.
Das Gas/Luft-Gemisch wird über den Kolben 4 in der Mulde 5 gehalten und zur Zündeinrichtung 12 transportiert.
Die hohe Turbulenz und ein lokal gut zündfähiges Luftverhältnis erlauben eine sehr rasche Verbrennung des Gemisches in der Mulde 5, wobei der an der Verbrennung teilnehmende Teil der Füllung weitestgehend auf das Volumen der Mulde 5 beschränkt bleibt (Ladungsschichtung). Dadurch ist eine sehr hohe Verdünnung (global gesehen) möglich. Die Drosselverluste werden reduziert, der Wirkungsgrad kann gesteigert werden.
Die Einblasung erfolgt vorzugsweise im Verdichtungstakt zwischen 120° bis 30° Kurbelwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt so, dass der Gasstrahl in der Mulde 5 aufgefangen wird, bzw. von der Mulde 5 umgelenkt wird. Es bildet sich ein näherungsweise torusförmiger Gas/Luft-Gemischring in der Mulde 5, welcher schließlich thermodynamisch günstig kurz vor dem oberen Totpunkt der Zündung gezündet werden kann. Je nach der Größe des Winkels α des Einblasestrahls 6 kann sich ein von außen nach innen oder von innen nach außen rotierender Gemischtorus ausbilden.
Der rotierende Gemischring ist durch die Rotation in sich sehr stabil und erlaubt daher eine gute Ladungsschichtung bei gleichzeitig hoher Turbulenz.
Füllungsseitig (luftseitig) kann durch geeignete Ausbildung des Einlasskanals 10 auch eine Drallströmung 9 überlagert werden, welche die Gemischwolke 8 zusätzlich um die Zylinderachse 2a rotieren lässt und für zusätzliche Stabilisierung sorgt.
Das beschriebene Verfahren eignet sich sowohl für Saugmotoren, als auch für aufgeladene Motoren, wobei die Aufladung mechanisch oder durch Abgasturbolader erfolgen kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer mit Brenngas als Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine (1), wobei das Brenngas pro Zylinder (2) über eine zentral im Brennraum (3) angeordnete Einblaseeinrichtung (11) mit einem definierten Einblasdruck eingeblasen wird, wobei der Einblasestrahl (6) innerhalb eines umhüllenden Kegelwinkels (α) in eine durch den Kolben (4) gebildete Mulde (5) erfolgt und das eingeblasene Brenngas durch die Wände (5a) und den Boden (5b) der Mulde umgelenkt wird und wobei eine Schichtladung im Bereich der Mulde (5) gebildet, das Kraftstoffluftgemisch bei einem definierten Verdichtungsverhältnis verdichtet und gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem Einblasedruck zwischen etwa 8 bar bis 30 bar, vorzugsweise zwischen 10 bar bis 20 bar, in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 120° und 30° vor dem oberen Totpunkt der Zündung eingeblasen wird, wobei der umhüllende Kegelwinkel (α) des eingeblasenen Gases zwischen 50° und 100° beträgt, dass der Umlenkwinkel (β) des umgelenkten Gases zwischen 90° und 180° beträgt, dass das Verdichtungsverhältnis des Kraftstoff/Luft-Gemisches zwischen 11,5 und 14, vorzugsweise zwischen 12 und 13 beträgt, dass das Kraftstoff/Luft-Gemisches durch eine Zündeinrichtung (12) gezündet wird und dass dem geschichteten Kraftstoff/Luft-Gemisch eine Drallbewegung (9) um die Zylinderachse (2a) aufgeprägt wird, wobei die Drallbewegung (9) vorzugsweise durch die Einlassströmung der Luft während des Einlasstaktes initiiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Bereich des oberen Totpunktes, vorzugsweise zwischen 40° vor bis 20° nach dem oberen Totpunkt erfolgt.
Brennkraftmaschine (4) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer zentral in einen Brennraum (3) mündenden Einblaseeinrichtung (4) für Brenngas pro Zylinder (2), wobei der Brennraum (3) zumindest teilweise durch eine vom Kolben (4) gebildete Mulde (5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (5) zwischen 30% bis 60% des gesamten Brennraumvolumens – im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens (4) betrachtet – ausbildet, und dass die Wand (5a) und der Boden (5b) der Mulde (5) Umlenkflächen für durch die Gaseinblaseeinrichtung (11) eingeblasenes Brenngas bilden, wobei der Umlenkwinkel (β) des Brenngases zwischen 90° und 180° beträgt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblaseeinrichtung (4) zentral in den Brennraum (3) mit einem Abstand (b) von der Zylinderachse (2a), der maximal einem Viertel des Bohrungsdurchmessers (D) entspricht, einmündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (5) im Wesentlichen scheiben- oder torusförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde eine zentrale Erhebung (5c) aufweist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenoberfläche (4c) des Kolbens (4) zwischen dem Rand (5d) der Mulde (5) und dem Kolbenrand (4a) zumindest eine Quetschfläche (4b) ausbildet.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (5) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (5) exzentrisch bezüglich der Zylinderachse (2a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (5') der Mulde (5) bezüglich der Zylinderachse (2a) um einen Winkel (γ) geneigt ist, welcher vorzugsweise zwischen 0° und 20° beträgt.