DE102006048070A1 - Dieselmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor mit Zylindern, bei dem in jedem Zylinder eine über eine Kraftstoffleitung versorgte Einspritzdüse eingebaut ist, deren Funktion in dem dosierten Einbringen von Dieselkraftstoff in den Verbrennungsraum besteht, sowie jedem Zylinder je eine Zuführungsleitung für Verbrennungsluft und eine Abgasleitung zugeordnet ist, wobei jedem Zylinder zusätzlich eine Einblasvorrichtung 20 für Gas zugeordnet ist, die über eine entsprechende Gasleitung versorgt ist und die Einspritzung des Dieselkraftstoffes und das Einblasen des Gasgemisches über einen Regler 2, 21 gesteuert ist, dem die Leistungsanforderung und die Drehzahl als Eingangsgröße zur Verfügung stehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor mit Zylindern, bei dem in jedem Zylinder eine über eine Kraftstoffleitung versorgte Einspritzdüse eingebaut ist, deren Funktion in dem dosierten Einbringen von Dieselkraftstoff in den Verbrennungsraum besteht, sowie jedem Zylinder je eine Zuführungsleitung für Verbrennungsluft und eine Abgasleitung zugeordnet ist.
  • Notorisch bekannt ist die Funktion des Dieselmotors, der sich im wesentlichen durch das Prinzip kennzeichnet, dass der durch Zerstäuben in die Brennkammer eingebrachte Dieselkraftstoff eine Kompression in einem solchem Umfang erfährt, dass eine Erhitzung über den Entzündungspunkt hinaus erfolgt, durch die der Verbrennungsvorgang eingeleitet wird. Im wesentlichen Unterschied zu Otto-Motoren ist die Verwendung einer Zündkerze zur Einleitung des Verbrennungsvorgangs nicht notwendig und deshalb auch nicht vorgesehen. Als Brennstoffe werden Dieselkraftstoffe eingesetzt und in jüngerer Zeit an deren Stelle immer häufiger Gas, sodass der Dieselmotor ausschließlich über den Brennstoff Gas betrieben wird. Allerdings ist bei den mit Gas betriebenen Dieselmotoren die Anbringung einer Zündkerze erforderlich, da eine Selbstzündung des reinen Gasbrennstoffes nicht möglich ist. Derartige mit Gas betriebene Motoren noch als Dieselmotoren zu bezeichnen, scheint systemwidrig. Die zunehmende Verbreitung der Verwendung von Gasbrennstoffen ist einerseits durch die wesentliche Verteuerung der Dieselkraftstoffe bedingt, die dazu geführt haben, dass die Einkaufspreise von Gasbrennstoffe zur Zeit etwa nur 1/3 derjenigen der Dieselkraftstoff betragen. Andererseits lassen sich mit dem Brennstoff Gas wesentlich günstigere und damit umweltfreundlicher Abgaswerte erzielen.
  • Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt eine Lösung aufzuzeigen, durch welche der Betrieb eines Dieselmotors unter Verwendung des Kraftstoffes Gas möglich wird, ohne dass Zündkerzen oder der gleichen eingesetzt werden müssen.
  • Gelöst wird die Erfindung dadurch, dass
    • – jedem Zylinder zusätzlich eine Einblasvorrichtung für Gas zugeordnet ist, die über eine entsprechende Gasleitung versorgt ist und
    • – die Einspritzung des Dieselkraftstoffes und das Einblasen des Gasgemisches über einen Regler gesteuert ist,
    • – dem die Leistungsanforderung und die Drehzahl als Eingangsgröße zur Verfügung stehen.
  • Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, der Verbrennungskammer ein Gemisch aus Diesel und Gas zuzuführen. Der Dieselanteil ist hierbei möglichst niedrig, jedoch noch so hoch zu wählen, dass bei der Kompression eine Selbstzündung ausgelöst wird. Die Brennenergie wird überwiegend durch den Anteil des Brennstoffes Gas zur Verfügung gestellt. Die Aufgabe des Dieselanteiles besteht primär in der Erzeugung der Selbstzündung; die Energiezufuhr hingegen wird primär über den Gasanteil besorgt.
  • Die Zuführung der Brennstoffe erfolgt über zwei Leitungssysteme, wobei der Dieselkraftstoff in bekannter Weise durch Einspritzung bei sehr hohen Drucken erfolgt. Die Zufuhr des Kraftstoffes Gas erfolgt durch Einblasen mit einem im Vergleich zum Dieselkraftstoff geringem Druck. Die Zuführung beider Kraftstoffe wird mit Hilfe eines Reglers eingestellt, der in Abhängigkeit von der Drehzahl, und Leistungsanforderung die Gemischzusammensetzung optimiert. Der Regler erhält seine Stellgröße durch Erfassen der Betriebsparameter und deren Auswertung mit Hilfe von Kennlinienfelder. Das Steuerungsgerät ist von üblicher Bauart und für einen Fachmann nach Kenntnis der entsprechenden Kennlinienfelder problemlos einstellbar.
  • Zur Erfüllung seiner Funktion benötigt der Regler Informationen über die aktuelle Drehzahl des Motors sowie die augenblickliche Leistungsanforderung. Letzterer geschieht bei Kraftfahrzeugen bekanntermaßen über die Erfassung der Position des Gaspedals. Diese Informationen sind notwendig und können zur Optimierung durch weitere Informationen ergänzt werden, wie später noch im einzelnen erläutert.
  • Die mit der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile sind in verschiedener Hinsicht beträchtlich. Zunächst erkennt man als erheblichen Vorteil, dass man trotz Verwendung des Brennstoffes Gas auf den Einbau von Zündkerzen verzichten kann. Dieser entscheidende Vorteil wird besonders augenfällig bei der Notwendigkeit oder dem Wunsch der nachträglichen Umrüstung bereits genutzter Dieselmotore. Auf Grund der Tatsache, dass die Energie durch den Brennstoff Gas zur Verfügung gestellt wird, ist der Betrieb des Dieselmotors wesentlich kostengünstiger, nachdem der Marktpreis für Gas zur Zeit etwa nur 1/3 von dem für Dieselkraftstoff beträgt. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die wesentliche Verbesserung der Abgaswerte. Dies ist im Hinblick auf die durch zunehmende Schadstoffbelastung bei den Gesetzgebern vorhandene Tendenz zur Verschärfung der Abgaswerte von entscheidendem Vorteil. Der technische Hintergrund hierfür ist, dass Gas praktisch rückstandsfrei verbrennt und somit der durch den Dieselkraftstoff gelieferte Anteil zu den Abgasen wesentlich niedriger ist, sodass sich für das gesamte Abgas einen umweltfreundlicheren Wert ergibt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die unerwünschten NOx–Bestandteile bei dem vorhandenen Brennstoffgemisch stark reduziert werden.
  • In spezieller Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Anteil des Diesels auf 20 – 40% (genauer = Volumenprozent) am gesamten Brennstoffgemisch einzustellen. Dieses Mischungsverhältnis hat sich im Hinblick darauf, dass die Forderung der Selbstzündung einen möglichst hohen Anteil an Dieselkraftstoff verlangt und hierzu gegenläufig das Verlangen nach Reduzierung der Verbrauchskosten einem möglichst hohem Gasanteil verlangt, als optimalen Betriebsbereich herausgestellt.
  • In der für die Ansteuerung von Einspritzdüsen in Dieselmotoren üblichen Steuergeräte werden zur Optimierung des Verbrennungsvorganges in vorteilhafter Weise nicht nur die Leistungsanforderungen und die augenblickliche Drehzahl des Motors erfasst, sondern darüber hinaus auch die Temperatur des Motors als auch die der angesaugten Luft, der Ladedruck sowie die Phase gemessen.
  • In ähnlicher Weise empfiehlt sich zur Einstellung der einzublasenden Gasmenge neben der Leistungsanforderung und die Drehzahl zusätzlich die Gastemperatur, die Temperatur der Ladeluft und die des Abgases zu erfassen und zur Optimierung der Betriebsbedingungen zu nutzen.
  • Zur Optimierung des Verhältnisses von Luft und Kraftstoff wird im Stand der Technik eine Lambda-Sonde eingesetzt. Sie sitzt im Abgasrohr und erfasst den Gehalt des verbleibenden Sauerstoffs im Abgas, was dadurch geschieht, dass der Sauerstoffgehalt des Abgases mit einem Referenzwert, der in der Regel die Umgebungsluft liefert, verglichen wird. Die Zusammensetzung des Abgases bzw. des darin enthaltenen Sauerstoff wird im Wesentlichen durch das den Verbrennungskammern zugeführte Gemisch von Luft und Kraftstoff bestimmt. Dieselmotore laufen immer mit hohem Luftüber schuss, sodass sich Lambdawerte von weit über 1 bis zu Lambda = 2 ergeben. Die Leistung bzw. das Drehmoment des Dieselmotors werden durch die eingespritzte Menge an Diesel bestimmt. Bei Ottomotoren hingegen ist die angesaugte Luftmenge die Basis der Leistung. Im Idealfall stöchiometrischer Zusammensetzung von Luft und Brennstoff in der Brennkammer beträgt Lambda = 1. Bei höherem Lambdawert sinkt die Zündfähigkeit und die Abgaswerte steigen. Beim erfindungsgemäßen Zweistoffbetrieb (Diesel/Erdgas) wird ein Lambdawert aus dem Zwischenbereich angepeilt, also beispielsweise ein Lambdawert um 1,2. Die Lambda-Sonde ist ein dem Fachmann zur Verfügung stehendes probates Mittel die Zusammensetzung des der Verbrennung zugeführten Kraftstoff und Luftgemisches zu optimieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wir in Ergänzung der Steuerung der Zufuhr des Brennstoffes auch die zugeführte Menge an Verbrennungsluft durch das Regelgerät einstellbar. Zu diesem Zweck wird in den Kanal der Luftzufuhr eine Drosselklappe angeordnet, deren Position über das Regelgerät steuer- und einstellbar ist. Die Drosselklappe erlaubt es die zugeführte Luftmenge zu drosseln und hierdurch den Verbrennungsvorgang zu optimieren. Im erfindungsgemäßen Zweistoffbetrieb (Diesel/Gas) lässt sich somit die zugeführte und der Verbrennung dienende Luftmenge den jeweiligen Leistungs- und Fahrsituationen anpassen. Die Einstellung der Position der Drosselklappe erfolgt über das Regelgerät. Hierdurch wird ein weiterer Parameter an die Hand gegeben, der zur Optimierung der Verbrennung und der Erzielung vorzüglicher Abgaszusammensetzungen entscheidende Vorteile bieten. Besonders der Anteil an NOx lässt sich durch die zugeführte Menge an Luft vor allem im niederen Drehzahlenbereich vorteilhaft beeinflussen.
  • Bei hohem Luftüberschuss, d.h. unter den Bedingungen einer Magerverbrennung entsteht im Verbrennungsraum hohe Hitze, die eine Erhöhung des giftigen NOx-Anteils im Abgas zur Folge hat. Um dem entgegenzuwirken schlägt die Erfindung vor, dass ein Teil des Abgases zurückgeführt und der Verbrennungsluft beigemischt wird. Das Ergebnis ist eine Reduzierung des O2-Anteiles und folglich eine Verringerung der Verbrennungstemperatur und als erwünschtes Resultat die Verringerung der NOx-Werte.
  • In einer Weiterbildung ist vorgeschlagen, den Anteil des rückgeführten Abgases bzw. den der Verbrennungsluft zugeführte Abgasanteil unterschiedlich einzustellen und insbesondere im unteren und mittleren Drehzahlbereich zu aktivieren. Je niedriger die Drehzahl, umso höher ist der Verbrennungsluft beigemischter Anteil an Abgas. In entsprechenden Betriebssituationen kann der Anteil an Abgas in der zugeführten Verbrennungsluft bis zu 50 % betragen.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird vorgeschlagen, das Ziel der Verringerung der Verbrennungstemperatur durch Kühlung des rückgeführten Abgases zu erreichen. Eine kältere Verbrennung reduziert die ausgestoßenen NOx-Werte.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Erfindungsgedankens lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird.
  • Sie zeigt als schematisches Blockbild den Aufbau eines erfindungsgemäßen Motors mit den entsprechenden Versorgungsleitungen.
  • Die Zeichnung ist entsprechend ihrer prinzipienhaften Darstellung zur weiteren Verdeutlichung durch eine vertikale verlaufende und gestrichelte Linie in zwei Hälften unterteilt, von denen die linke, mit dem Buchstaben A bezeichnet ist, sich mit der Bereitstellung und Zuführung des Dieselkraftstoffes und die rechte Hälfte, bezeichnet mit B, mit der Aufbereitung und Zuführung des Brennstoffes Gas befassen.
  • Die in der linken Hälfte A wiedergegebenen Merkmale stimmen mit den konventionellen Dieselmotoren überein.
  • Den hier nicht wiedergegebenen Zylindern (hier: 4) ist jeweils eine Einspritzdüse 1 zugeordnet. Jede dieser Düsen 1 wird über den Regler 2 angesteuert und über eine Kraftstoffleitung mit Diesel versorgt. Über eine Kraftstoffpumpe 4 wird mit einem Verteiler 5 der Kraftstoff zur Verfügung gestellt. In der Zeichnung sind ein Drucksensor und ein Druckbegrenzungsventil eingezeichnet. Die Pumpe 4 wird in bekannter Weise über einen Kraftstoffbehälter 6 mit Diesel versorgt. Die der Förderung dienende Niederdruckpumpe 7, der Kraftstofffilter 8 sowie die über das Druckbegrenzungsventil an den Verteiler 5 angeschlossene Rückführleitung und ebenso die Stromversorgung des Reglers 2 sind zwar eingezeichnet, jedoch für das Verständnis des erfindungsgemäßen Prinzips von untergeordnetem Interesse. Der Regler 2 erhält Informationen über Sensoren, durch welche die Drehzahl (Drehzahlsensor 9), die Phase (Phasensensor 10), die Leistungsanforderung über den Pedalwegsensor 11, der Ladedruck über den Ladedrucksensor 12, die Lufttemperatur (Lufttemperatursensor 13) sowie die Motortemperatur (Motortemperatursensor 14) erfasst und zur Verfügung gestellt werden. Diese Messwerte dienen zur Bestimmung von Menge und Zeit des einzuspritzenden Dieselkraftstoffes. Nicht zuletzt, weil der Aufbau von üblicher Art ist, ist die Skizze für den Durchschnittsfachmann aus sich heraus verständlich, so dass weitere Erläuterungen hierzu unterbleiben können.
  • In der rechten Bildhälfte B ist die Zuführung des Brennstoffes Gas im Einzelnen wiedergegeben.
  • Auch hier ist jedem, in der Darstellung nicht wiedergegebenen Zylinder jeweils eine Einblasvorrichtung 20 zugeordnet. Deren Ansteuerung erfolgt über einen Regler 21, der über die Messwerte der Sensoren von Drehzahl, Phase, Pedalweg, Ladedruck und Temperatur von Luft und Motor (Sensoren 9 – 14) versorgt wird. Weitere Informationen erhält der Sensor über das AGR (= Abgasrückführung) – Ventil 23, die im Ladeluftstrom befindliche Drosselklappe 24 sowie die Ansaugtemperatur des Gases (Ansaugtemperatursensor 25), die Temperatur der Ladeluft (Ladelufttemperatursensor 26) sowie schließlich der Abgastemperatur (Abgastemperatursensor 27). Sämtliche Informationen dienen dazu, dass der Regler 21 auf optimale Weise die den Einblasvorrichtungen 20 jeweils zuzuführende Gasmenge auf optimale Weise quantifiziert. Schließlich stehen der soeben beschriebene Regler 21 für die Gaszufuhr mit dem Regler 2 für den Dieselkraftstoff miteinander in Verbindung, sodass sich von einem einzigen, beide Kraftstoffkreise bedienenden und zuführenden Regler gesprochen werden kann.
  • Als Reservoir für den Brennstoff Gas ist eine Gasflasche 28 eingezeichnet. Von dort gelangt das Gas zum Druckminderer 29, von wo es über eine Leitung die Einblasvorrichtungen 21 mit Gas versorgt. Der Druckminderer 29 wird über ein Magnetventil einstell- und schaltbar. Diese Elemente sind, ebenso wie die im Bereich der Gasflasche angeordneten Ventile (Rückschlagventil, NGV 1-Ventil) für die Beschreibung der erfindungsgemäßen Funktion nicht wesentlich und soll deshalb aus Gründen der Klarheit unterbleiben.
  • Die Funktion ist wie folgt:
    Jede Einbiasvorrichtung 20 wird über die Gasflasche 28 vermittels Druckminderer 29 mit Gas versorgt. Die Schaltung der Einblasvorrichtung 20 hingegen geschieht über den Regler 21, der seinerseits über zahlreiche Informationen verfügt, die ihm eine optimale Dosierung des Brennstoffes Gas erlauben.
  • Klarzustellen ist, dass die Einspritzdüsen 1 und die Einblasvorrichtungen 20 paarweise ein und dem selben Zylinder zugeordnet sind. Gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist jeder Zylinder zum einen mit einer Einspritzdüse 1 und mit einer Einblasvorrichtung 20 ausgerüstet, sodass im Ergebnis ein Gemisch von Diesel und Gas in den Brennraum eingebracht wird.
  • Im Ergebnis erhält man einen Dieselmotor, der im Hinblick auf seine Betriebskosten und seiner Abgaswerte erhebliche Vorteile zu bieten hat.
    • 1
    Einspritzdüse
    2
    Regler
    3
    Kraftstoffleitung
    4
    Kraftstoffpumpe
    5
    Verteiler
    6
    Kraftstoffbehälter
    7
    Niederdruckpumpe
    8
    Kraftstofffilter
    9
    Drehzahlsensor
    10
    Phasensensor
    11
    Pedalwegsensor
    12
    Ladedrucksensor
    13
    Lufttemperatursensor
    14
    Motortemperatursensor
    20
    Einblasvorrichtung
    21
    Gasregler
    22
    Lambda
    23
    AGR-Ventil
    24
    Drosselklappensensor
    25
    Ausgangstemperatursensor
    26
    Ladeluftsensor
    27
    Abgastemperatursensor
    28
    Gasflasche
    29
    Druckminderer

Claims (9)

  1. Dieselmotor mit Zylindern, bei dem in jeden Zylinder eine über eine Kraftstoffleitung versorgte Einspritzdüse 1 eingebaut ist, deren Funktion in dem dosierten Einbringen von Dieselkraftstoff in den Verbrennungsraum besteht, sowie jedem Zylinder je eine Zuführungsleitung für Verbrennungsluft und eine Abgasleitung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – jedem Zylinder zusätzlich eine Einblasvorrichtung 20 für Gas zugeordnet ist, die über eine entsprechende Gasleitung versorgt ist und – die Einspritzung des Dieselkraftstoffes und das Einblasen des Gasgemisches über einen Regler 2, 21 gesteuert ist, – dem die Leistungsanforderung und die Drehzahl als Eingangsgröße zur Verfügung stehen.
  2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Dieselkraftstoffes an dem gesamten Brennstoffgemisch 20 – 40% beträgt.
  3. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der zuzuführenden Dieselkraftstoffmenge die Temperatur von Motor und/oder angesaugter Luft und/oder Ladedruck und/oder die Phase gemessen und dem Regler zur Verfügung gestellt werden.
  4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der zuzuführenden Menge des Brennstoffes Gas die Temperatur des Gases und/oder die der Ladeluft und/oder die der Ansaugluft und/oder die des Abgases erfasst und dem Regler 21 zur Verfügung gestellt wird.
  5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom eine Lambda-Sonde angeordnet ist, deren Messwerte dem Regler zugeführt und bei der Einstellung der Gemischzusammensetzung genutzt wird.
  6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuführkanal der Verbrennungsluft eine einstellbare Drosselklappe angeordnet ist, deren Einstellung durch den Regler optimiert wird.
  7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas zum Teil rückgeführt und der Verbrennungsluft beigemischt wird.
  8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung des Abgases im unteren und mittleren Drehzahlbereich erfolgt.
  9. Motor nach dem vorhergehenden Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass. in der Abgasrückführung eine Kühlung vorgenommen wird.
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