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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine zur Ausführung mit einem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Mit einem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor kann ein Diesel-/Gasmotor sowohl im reinen Flüssigkraftstoffbetrieb als auch im kombinierten Flüssigkraftstoff-/Gasbetrieb mit z. B. beliebigem Gas-/Flüssigkraftstoffanteil realisiert werden. Bei einem reinen Dieselbetrieb, bei welchem das Gas keine Injektorkühlung bewirken kann, können jedoch thermische Probleme aufgrund von Überhitzung entstehen.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, mittels welchem eine verbesserte Verbrennung bei einem reinen Dieselbetrieb als auch eine verbesserte Kühlung erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine zur Ausführung mit einem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor (Zweistoff-Injektor; insbesondere für einen ersten, flüssigen Kraftstoff (Dieselkraftstoff) und einen zweiten, gasförmigen Kraftstoff (Brenngas)). Das Brennverfahren ist bevorzugt zur Ausführung mit einer Brennkraftmaschine in Form eines Diesel-/Gasmotors (mit innerer Gemischbildung), weiterhin insbesondere mit einem Großmotor vorgesehen und weiterhin insbesondere für stationäre Anwendungen, zum Beispiel Blockheizkraftwerke oder Industrieanwendungen. Die Brennkraftmaschine ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt eingerichtet, sowohl einen reinen Flüssigkraftstoffbetrieb als auch einen kombinierten Flüssigkraftstoff-/Gasbetrieb mit beliebigem Gas-/Flüssigkraftstoffanteil zu ermöglichen, d. h. unter Verwendung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors. Im Rahmen der mit der Brennkraftmaschine möglichen Brennverfahren betrifft die Erfindung dabei insbesondere ein Brennverfahren, bei welchem die Brennkraftmaschine im reinen Dieselbetrieb (ohne zweiten Kraftstoff) betrieben wird, insbesondere z. B. unter Volllast.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine ist zur Ausführung mit einem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor vorgesehen, wobei der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor eingerichtet ist, Dieselkraftstoff über eine erste Düsenanordnung desselben auszubringen. Die erste Düsenanordnung ist bevorzugt mittels einer Mehrzahl von Düsenlöchern gebildet, welche insbesondere in einer Ringkonfiguration angeordnet sind.
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Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor ist im Rahmen des vorgeschlagenen Brennverfahrens weiterhin eingerichtet, gasförmigen Kraftstoff (Brenngas) über eine Gasdüsenanordnung desselben (zweite Düsenanordnung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors) auszubringen. Die Gasdüsenanordnung ist bevorzugt ebenfalls mittels einer Mehrzahl von Düsenlöchern gebildet, welche insbesondere wiederum in einer Ringkonfiguration angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor an einem Brennraumdeck einer Brennkraftmaschine (insbesondere gebildet an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine) mit der ersten und zweiten Düsenanordnung in einen Brennraum (insbesondere gebildet zwischen einem Kolben eines Zylinders der Brennraftmaschine und dem Brennraumdeck) ragend angeordnet, so dass Dieselkraftstoff und der gasfömige Kraftstoff über die jeweilige Düsenanordnung in den Brennraum ausbringbar ist.
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Bei dem Brennverfahren wird weiterhin korrespondierend mit einem Diesel-Einspritzvorgang (einem jeweiligen Diesel-Einspritzvorgang zugeordnet), bevorzugt z. B. einer Haupteinspritzung, alternativ oder zusätzlich z. B. auch korrespondierend mit einer Vor- oder Nacheinspritzung, Dieselkraftstoff via bzw. als Dieselkraftstoff-Einspritzstrahlen über die erste Düsenanordnung in den Brennraum ausgebracht.
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Gekennzeichnet ist das Brennverfahren dadurch, dass korrespondierend mit dem Diesel-Einspritzvorgang über die Gasdüsenanordnung Luft, insbesondere Druckluft, in den Brennraum ausgebracht wird.
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Das vorgeschlagene Brennverfahren ermöglicht, insbesondere für einen reinen Dieselbetrieb der Brennkraftmaschine, zum Beispiel unter Volllast, eine Unterstützung des Verbrennungsprozesses durch beschleunigten Tröpfchenzerfall bzw. intensivere Luftbereitstellung für die Gemischbildung, mithin eine vorteilhaft verbesserte Verbrennung. Zudem wird, insbesondere außerhalb eines Gasbetriebs, vorteilhaft eine Kühlung der Gasdüsenanordnung über die ausgebrachte Luft, insbesondere bevorzugt Druckluft, bewirkt.
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Im Rahmen des vorgeschlagenen (Diesel-)Brennverfahrens ist vorgesehen, die korrespondierend mit dem Diesel-Einspritzvorgang über die Gasdüsenanordnung ausgebrachte Luft in Form von (Druck-)Luftstrahlen über die Gasdüsenanordnung in den Brennraum auszubringen. Bevorzugt werden sowohl der Dieselkraftstoff als auch die (Druck-)Luft über die Düsenanordnungen hierbei je geneigt, insbesondere mit einer überwiegenden radialen Richtungskomponente (zur Umfangswand des Brennraums weisend) und einer demgegenüber zurückbleibenden Richtungskomponente in Richtung zum brennraumdeckfernen Ende des Brennraums (zum Kolben), in den Brennraum ausgebracht (eine Schirmform aufspannend).
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Zum Beispiel kann ein Austritt eines Luftstrahls unter einem Strahlwinkel (in Bezug auf das Brennraumdeck) im Bereich von etwa 20 bis 30 Grad vorgesehen sein, der Austritt eines Kraftstoffstrahles bevorzugt etwas flacher gewinkelt, z. B. unter einem Strahlwinkel von etwa 5 bis 10 Grad.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Verfahrens ist insbesondere weiterhin vorgesehen, dass ein jeweiliger Diesel-Einspritzstrahl je zwischen zwei Luftstrahlen (in Umfangsrichtung des Brennraums betrachtet) in den Brennraum ausgebracht wird. Bei Ausgestaltungen des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors mit koaxial angeordneten Düsenanordnungen kann ein Versatz in Umfangsrichtung der (bevorzugt je in einer Ringkonfiguration angeordneten) Düsenlöcher der ersten und zweiten Düsenanordnung, insbesondere je gleiche Anzahl von Düsenlöchern aufweisend, vorgesehen werden. Eine solche Lösung ermöglicht auf einfache Weise eine vorteilhaft verbesserte, luftunterstützte Gemischbildung.
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Alternativ kann zum Beispiel eine Anordnung der Düsenanordnungen – bevorzugt bei koaxialer Anordnung – derart vorgesehen sein, dass deren Düsenlöcher, insbesondere wiederum gleicher Düsenlochanzahl, einander in Richtung vom Brennraumdeck zum Brennraum überlappen, das heißt keinen Versatz in Umfangsrichtung aufweisen. Derart kann der Effekt erzielt werden, dass ein Luftstrahl den Diesel-Kraftstoffstrahl in Richtung vom Brennraumdeck zum Brennraum überlappt. Auch hierbei kann vorteilhaft einfach eine verbesserte Gemischbildung erzielt werden.
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Im Rahmen des vorgeschlagenen Brennverfahrens kann bei einer ersten Ausgestaltung vorgesehen sein, die korrespondierend mit einem Diesel-Einspritzvorgang ausgebrachte Luft beginnend während einer Verdichtungsphase und endend vor Beginn des Diesel-Einspritzvorgangs in den Brennraum auszubringen. Das Ausbringen der Luft ist hierbei derart vorgesehen, dass unter Umlenkung des Luftstrahls im Brennraum je Luftstrahl ein Luftwirbel im Brennraum erzeugt wird, dessen Drehrichtung dadurch bestimmt ist, dass der Luftstrahl von einer Umfangswand des Brennraums (zunächst) zum brennraumdeckfernen Ende des Brennraums abgelenkt wird, d. h. hin zu einem Kolben bzw. einer Kolbenmulde. Bei diesem Verfahrensaspekt wird je Luftstrahl ein Luftwirbel im Brennraum zunächst an einer brennraumdeckfernen Seite, i. e. insbesondere unterhalb einer Diesel-Einspritzstrahlebene, erzeugt.
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Gemäß diesem Brennverfahrensaspekt kann mittels eines solchen Luftwirbels ein zu einem benachbarten Dieseleinspritzstrahl gleichgerichteter Luftstrom im düsennahen Bereich der Diesel-Einspritzstrahlen erzeugt werden. Der jeweilige Luftwirbel sorgt im düsennahen Strahlbereich für einen Luftnachschub, i. e. für eine intensivere Luftbereitstellung für die Gemischbildung. Die an den Diesel-Einspritzstrahl düsennah herangeführte Luft kann von diesem insbesondere «eingesaugt» werden (z. B. nach düsennaher Überschneidung des Luftstroms und des Diesel-Einspritzstrahls).
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Brennverfahrens kann bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens bevorzugt auch vorgesehen sein, dass die korrespondierend mit dem Diesel-Einspritzvorgang in den Brennraum ausgebrachte Luft gegen Ende einer Verdichtungsphase und überlappend mit einem Diesel-Einspritzvorgang bis kurz vor Einspritzende ausgebracht wird. Ein Ausbringen der Luft ist hierbei derart vorgesehen, dass unter Umlenkung im Brennraum je Luftstrahl ein Luftwirbel im Brennraum erzeugt wird, dessen Drehrichtung dadurch bestimmt ist, dass der Luftstrahl zunächst auf das brennraumdeckferne Ende des Brennraums trifft, insbesondere auf den Kolben bzw. dessen Kolbenmulde und nachfolgend (via die Brennraumumfangswand) zum Brennraumdeck abgelenkt wird. Bei diesem Aspekt des Brennverfahrens wird je Luftstrahl ein Luftwirbel im Brennraum zunächst an einer brennraumdecknahen Seite, i. e. insbesondere oberhalb der Diesel-Einspritzstrahlebene, erzeugt.
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Gemäß diesem Verfahrensaspekt, welcher mit einer hohen Relativgeschwindigkeit einhergeht, wird mittels eines solchen Luftwirbels bevorzugt ein Luftstrom derart erzeugt, dass ein benachbarter Diesel-Einspritzstrahl von dem Luftstrom gegengerichtet geschnitten bzw. gekreuzt wird.
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Die im Schnitt- bzw. Kreuzungsbereich mit hoher Relativgeschwindigkeit an den Kraftstoffstrahl herangeführte Luft beschleunigt vorteilhaft den Tröpfchenzerfall, zum Beispiel bei Einspritzung unter geringerem Systemdruck. Dies ermöglicht weiterhin vorteilhaft, ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem geringeren Druck auszulegen, da die Zerstäubung anteilig durch die Luftstrahlen mit übernommen wird. Der Kreuzungswinkel kann z. B. durch die Düsengeometrie festgelegt werden.
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Im Rahmen der Erfindung wird auch eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche zur Ausführung des wie vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Zur Luftversorgung wird bevorzugt ein Hochdruckverdichter der Brennkraftmaschine verwendet, welcher auch für die Versorgung der Brennkraftmaschine mit gasförmigem zweiten Kraftstoff bereitgestellt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch, zum Teil stark vereinfacht, einen für das Brennverfahren geeigneten Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine.
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2 exemplarisch und schematisch eine Ansicht des an einem Brennraumdeck einer Brennkraftmaschine aufgenommenen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors gemäß 1 sowie einen gemäß einem ersten Verfahrensaspekt in den Brennraum eingebrachten und einen zunächst einen brennraumdeckfernen Wirbel ausbildenden Luftstrahl bei einer ersten Kolbenstellung.
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3 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 2 mit dem in den Brennraum eingebrachten Luftstrahl bei einer zweiten Kolbenstellung.
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4 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 2 und 3 mit dem in den Brennraum eingebrachten Luftstrahl bei einer dritten Kolbenstellung.
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5 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 2 bis 4 mit dem in den Brennraum eingebrachten Luftstrahl bei einer vierten Kolbenstellung.
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6 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 2 bis 5 mit dem im Brennraum gebildeten Wirbel sowie einem Diesel-Einspritzstrahl bei einer fünften Kolbenstellung.
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7 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 6, welche die Luft- und Diesel-Einspritzstrahlen im Brennraum in einer Draufsicht auf die Düsenanordnung und das Brennraumdeck veranschaulicht.
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8 exemplarisch und schematisch eine Ansicht des an einem Brennraumdeck einer Brennkraftmaschine aufgenommenen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors gemäß 1 sowie einen gemäß einem zweiten Verfahrensaspekt in den Brennraum eingebrachten und einen einen brennraumdecknahen Wirbel ausbildenden Luftstrahl bei einer ersten Kolbenstellung.
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9 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 8 mit dem in den Brennraum eingebrachten Luftstrahl sowie einem Diesel-Einspritzstrahl bei einer zweiten Kolbenstellung.
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10 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 8 und 9 mit den in den Brennraum eingebrachten Luft- und Diesel-Einspritzstrahlen bei einer dritten Kolbenstellung.
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11 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 9 bis 10 mit mit den in den Brennraum eingebrachten Luft- und Diesel-Einspritzstrahlen bei einer vierten Kolbenstellung.
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12 exemplarisch und schematisch eine Ansicht gemäß 11, welche die Luft- und Diesel-Einspritzstrahlen im Brennraum in einer Draufsicht auf die Düsenanordnung und das Brennraumdeck veranschaulicht.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt exemplarisch einen erfindungsgemäßen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor (Zweistoffdüse bzw. Zweistoff-Injektor) 1, mit welchem das erfindungsgemäße (Diesel-)Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine (nicht dagestellt), insbesondere einen Gas-/Dieselmotor, durchführbar ist. Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 ist für den Einspritzbetrieb der Brennkraftmaschine mit einem ersten, flüssigen Kraftstoff (insbesondere Dieselkraftstoff) und einem zweiten, gasförmigen Kraftstoff (Brenngas) bereitgestellt und weist einen Düsenkörper 3 (Düsenelement) auf.
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In dem Düsenkörper 3 ist eine Aufnahme (Axialbohrung) 5 für eine darin axial verschieblich aufgenommene Düsennadel 7 des Kraftstoffinjektors 1 gebildet, in welche Aufnahme 5 der hochdruckbeaufschlagte Diesel-Kraftstoff seitens einer Hochdruckzufuhrleitung 9 eines injektorinternen Kraftstoffsystems verbracht werden kann, zum Beispiel ausgehend von einem stromaufwärtigen Hochdruck(HD)-Kraftstoffeinlass 11 des Kraftstoffinjektors 1 (welcher z. B. mit einem Sammeldruckspeicher (Rail) der Brennkraftmaschine oder einem Einzeldruckspeicher verbunden ist).
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An einem Endabschnitt 13 eines die Aufnahme 5 definierenden Düsenkörperbereichs 15 ist eine erste, insbesondere ringförmige Düsenanordnung 17 mit einer Mehrzahl von (in Umfangsrichtung gleichbeabstandeten) Düsenlöchern 19 für das Ausbringen (Einspritzung) des Dieselkraftstoffs gebildet, i. e. an einer Düsenkuppe 21.
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Der in die Aufnahme 5 eingebrachte hochdruckbeaufschlagte Dieselkraftstoff kann in Abhängigkeit der (Hub-)Stellung der Düsennadel 7 über die erste Düsenanordnung 17 des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 abgegeben werden, bei einem Einspritzbetrieb insbesondere in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 kann – wie dargestellt – für das Einspritzen des Dieselkraftstoffs bevorzugt als indirekt betätigter Injektor 1 ausgebildet sein, insbesondere mit einem Pilotventil 23, welches von einer Aktuatorik (nicht dargestellt) beherrscht wird, bevorzugt einer Magnetaktuatorik. Das Pilotventil 23 und/oder die Aktuatorik kann in wenigstens einem Gehäuseelement 25 des Injektorgehäuses 27, insbesondere benachbart zum düsenfernen Ende des Düsenkörpers 3 des Injektors 1, bereitgestellt sein, zum Beispiel in einem Ventilkörper 25. Alternativ kann vorgesehen sein, den Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 für das Einspritzen des Dieselkraftstoffs als direkt betätigten Injektor 1 auszugestalten, wobei die Aktuatorik insbesondere direkt auf die Düsennadel 7 wirken kann.
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Über das Pilotventil 23 kann ein Steuerraum 29 des Kraftstoffinjektors 1 ventilstellungsabhängig entlastet werden, zum Beispiel über einen Leckageströmungsweg 31 des injektorinternen Kraftstoffsystems, welcher ausgehend vom Steuerraum 29 zu einem niederdruckseitigen (ND) Leckageauslass 33 des Injektors 1 über das Pilotventil 23 (unter Drosselung 35) geführt ist, z. B. zu einem Leckagesammelbehältnis (Tank) eines Kraftstoffeinspritzsystems bzw. einer Brennkraftmaschine.
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In den Steuerraum 29 mündet weiterhin z. B. ein weiterer Hochdruckpfad 37 des injektorinternen Kraftstoffsystems (mit Drosselung 39), über welchen der Steuerraum 29 via hochdruckbeaufschlagten Dieselkraftstoff ausgehend von dem Hochdruckkanal 9 belastbar ist. Der Steuerraum 29 kann mittels einer Nadelführungshülse 41 gebildet sein, welche am düsenfernen Ende der Axialbohrung 5 in derselben aufgenommen ist, wobei in der Axialbohrung 5 weiterhin eine Schließfeder 43 angeordnet sein kann, welche die Düsennadel 7 in Schließstellung drängt, i. e. gegen einen Ventilsitz bzw. Düsennadelsitz 45.
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Um für einen Dieselkraftstoff-Einspritzbetrieb Dieselkraftstoff über die Düsenanordnung 19 ausbringen zu können, i. e. seitens der Axialbohrung 5, kann das (Schließ-)Kräftegleichgewicht an der Düsennadel 7 durch Entlastung des Steuerraums 29 via das Pilotventil 23 aufgelöst werden (Leckageströmungsweg 31 geöffnet), so dass die Düsennadel 7 vom Ventilsitz abheben und den Strömungsweg zu der Düsenanordnung 17 freigeben kann. Für ein Schließen des Düsenventils wird das Pilotventil 23 in Sperrstellung geschaltet (in 1 ist Offenstellung dargestellt), woraufhin sich der Druck im Steuerraum 29 über den Hochdruckpfad 9, 37 wieder aufbaut und die Düsennadel 7 schließfederkraftunterstützt in den Nadelsitz 45 zurückkehrt.
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Wie in 1 veranschaulicht, weist der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 eine zweite, insbesondere ringförmige Düsenanordnung bzw. Gasdüsenanordnung 47 mit einer Mehrzahl von (in Umfangsrichtung gleichbeabstandeten) Düsenlöchern 49 für das Ausbringen (Einspritzung) des zweiten, gasförmigen Kraftstoffs (Brenngas) auf. Die Gasdüsenanordnung 49 ist insbesondere koaxial zur Düsenanordnung 17 am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 aufgenommen, vorliegend mit Versatz in axialer Richtung. Bei dem dargestellten Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 entspricht die Anzahl der Düsenlöcher 49 der Gasdüsenanordnung 47 weiterhin der Anzahl der Düsenlöcher 19 der Düsenanordnung 17. Hierbei weisen die Düsenlöcher 19 einen Versatz in Umfangsrichtung gegenüber den Düsenlöchern 49 auf. Alternativ kann jedoch auch eine Ausgestaltung ohne Versatz in Umfangsrichtung oder z. B. mit unterschiedlicher Lochanzahl der Düsenanordnungen 17, 47 vorgesehen sein.
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Die Gasdüsenanordnung 47 ist bevorzugt an einer (separat vom Düsenkörper 3 gebildeten bzw. gefertigten) (Gas-)Düsenkappe 51 bereitgestellt bzw. gebildet, welche Düsenkappe 51 den Endabschnitt 13 umgebend am Düsenkörper 3 angeordnet ist (derart ist eine vorteilhaft einfache Fertigung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 ermöglicht). Bei bevorzugten Ausführungsformen des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 können die Düsenlöcher 49 weiterhin je als Lavaldüse bzw. als Düsenlöcher 49 mit konvergentem Querschnitt bereitgestellt sein.
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Wie 1 weiter veranschaulicht, ist am Kraftstoffinjektor 1 (in bzw. mit der Düsenkappe 51) ein Düsenraum 55 am Düsenkörper 3 definiert, über welchen die Düsenlöcher 49 der zweiten Düsenanordnung 47, insbesondere sämtliche Düsenlöcher 49, mit Brenngas anströmbar ist.
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Zur Anströmung des Düsenraums 55 mit dem gasförmigen Kraftstoff weist der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 bzw. dessen Düsenkörper 3 vorliegend einen ersten 57 und einen zweiten 59 Strömungsweg (Brenngaskanal) auf, alternativ z. B. einen einzigen Kanal, welche seitens eines Brenngaseinlasses 61 des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 und einen Brenngas-Strömungsweg 63 im Injektor 1 mit dem Brenngas beaufschlagbar sind.
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Der Kraftstoffinjektor 1 weist weiterhin – bevorzugt außerhalb des Düsenkörpers 3 aufgenommen – ein Ventil bzw. Gasventil 65 auf. Über das Gasventil 65 kann die Fluidzufuhr an den Düsenraum 55 via Strömungskanäle 57, 59 selektiv unterbrochen werden. Somit ermöglicht der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 vorteilhaft sowohl einen kombinierten Einspritzbetrieb mit Dieselkraftstoff und Brenngas als auch das Ausbringen nur des Dieselkraftstoffs oder nur des Brenngases.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße – mit dem wie vorstehend beschriebenen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 ausführbare – Brennverfahren anhand der 2 bis 12 näher erläutert. Die 2 bis 7 veranschaulichen hierbei eine erste vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens, die 8 bis 12 eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung des Brennverfahrens.
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Allgemein ist der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 im Rahmen des erfindungsgemäßen Brennverfahrens an einem Brennraumdeck 67 einer Brennkraftmaschine mit der ersten 17 und zweiten 47 Düsenanordnung in einen Brennraum 69 (eines Zylinders der Brennkraftmaschine) ragend angeordnet, z. B. 2 bis 6 oder 8 bis 11, d. h. derart, dass Dieselkraftstoff und der zweite Kraftstoff (Brenngas) über die jeweilige Düsenanordnung 17, 47 in den Brennraum 69 ausbringbar ist.
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Das Brennraumdeck 67 wird bevorzugt von einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gebildet, an welchem der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 aufgenommen ist. Die in den Brennraum 69 eintauchenden Düsenanordnungen 17 und 47 (nachfolgend zusammenfassend als Düse bezeichnet) liegen im Brennraum 69 einem Zylinderkolben 71 (in dessen Hubrichtung) gegenüber, das heißt dessen Kolbenmulde 73. Umfangsseitig wird der Brennraum 69 durch eine Brennraumumfangswand bzw. Zylinderwand 75 begrenzt.
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Bei dem (Diesel-)Brennverfahren wird korrespondierend mit einem Diesel-Einspritzvorgang, insbesondere im Rahmen einer Haupteinspritzung, Dieselkraftstoff via Dieselkraftstoff-Einspritzstrahlen 77 über die erste Düsenanordnung 17 in den Brennraum 69 ausgebracht, wobei korrespondierend mit dem Diesel-Einspritzvorgang auch Luft in den Brennraum 69 ausgebracht wird (jedoch kein Brenngas), d. h. erfindungsgemäß über die Gasdüsenanordnung 47.
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Die korrespondierend mit dem Diesel-Einspritzvorgang ausgebrachte Luft wird insbesondere als Druckluftstrahlen 79 über die Gasdüsenanordnung 47 in den Brennraum 71 ausgebracht, wobei die Gasdüsenanordnung 47 hierfür über den Brenngas-Strömungsweg 55, 57, 59, 63 stromabwärts des Gaseinlasses 61 des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 angeströmt wird. Für die Bereitstellung der Druckluft am Gaseinlass 61, d. h. für das erfindungsgemäße Verfahren, kann insbesondere ein Hochdruckverdichter der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) stromaufwärts des Gaseinlasses 61 vorgesehen sein, welcher z. B. von Brenngas- auf (Druck-)Luftförderung umschaltbar ist.
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Durch die korrespondierend mit einem Einspritzvorgang (Einspritzung) bzw. einem Einspritzvorgang zugeordnet in den Brennraum 71 ausgebrachte Druckluft 79 wird – insbesondere während eines reinen Diesel-Einspritzbetriebs – vorteilhaft sowohl eine Kühlung an den Düsenanordnungen 47, 17 als auch eine verbesserte lokale Gemischbildung, mithin eine verbesserte Verbrennung, erzielt.
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Gemäß der ersten Ausgestaltung des Verfahrens, s. 2 bis 7, wird die korrespondierend mit einem Diesel-Einspritzvorgang ausgebrachte Luft beginnend während einer Verdichtungsphase und endend vor Beginn des Diesel-Einspritzvorgangs in den Brennraum 69 ausgebracht. Unter Umlenkung im Brennraum 69 wird hierbei je Luftstrahl 79 ein Luftwirbel 81 (Primärwirbel) im Brennraum 69 erzeugt, dessen Drehrichtung dadurch bestimmt ist, dass der geneigt in den Brennraum 69 eintretende Luftstrahl 79 von der Umfangswand 75 des Brennraums 69 zum brennraumdeckfernen Ende 73 des Brennraums 69 abgelenkt wird (unterhalb der Kraftstoffeinspritzstrahlebene drehender Wirbel 81; aus Symmetriegründen ist in den 2 bis 7 nur je ein Wirbel 81 dargestellt).
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Gemäß dieser ersten Ausgestaltung des Brennverfahrens wird mittels eines jeweiligen Luftwirbels 81 (welcher um eine in Umfangsrichtung verlaufende Achse dreht) ein zu einem benachbartem Dieseleinspritzstrahl 77 gleichgerichteter Luftstrom im düsennahen Bereich 83 der Diesel-Einspritzstrahlen 77 erzeugt (nachfolgend anhand der 2 bis 7 näher erläutert).
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2 zeigt exemplarisch einen (Druck-)Luftstrahl 79, welcher korrespondierend mit einem Diesel-Einspritzvorgang über die Düsenanordnung 47 in den Brennraum 71 ausgebracht wird. Der Luftstrahl 79 wird (frühestens) eingebracht, nachdem das/die Einlassventil(e) zum Brennraum 69 geschlossen ist/sind. Beim Auftreffen auf die Zylinderwand 75 wird der Luftstrahl 79 umgelenkt und erzeugt einen abwärtsgewandten Wirbel 81.
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In der Zylindermitte, s. 3, wird die Luft nachfolgend durch eine Erhebung 85 der Kolbenmulde 73 und den spiegelbildlichen Luftstrom (eines weiteren, gegenüberliegenden Luftwirbels 81, nicht dargestellt) in Richtung hin zur Düse 17, 47 umgelenkt.
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3 und 4 zeigen weiterhin eine Stauchung des Wirbels 81 infolge der Annäherung des Kolbens 71 an das Brennraumdeck 67.
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Das Ausbringen von Druckluft (Lufteinblasung) hält bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens bevorzugt solange an, bis sich neben dem (Primär-)Wirbel 81 (aufgrund des Strahlauftreffwinkels in der Mulde 73) ein Sekundärwirbel 87 zu bilden beginnt, d. h. in der Regel bis kurz vor dem oberen Totpunkt OT (ca. 20–10° KW), 5.
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Nach Beenden des Ausbringens der Luft in den Brennraum 69 dauert der Wirbel 81 fort und wird durch den hin zu OT fortschreitenden Kolben 71 weiter gestaucht (6). Abgesehen von Reibungsverlusten nimmt die Luftgeschwindigkeit im Wirbel 81 (Drallerhaltungssatz) zu. In dieser Phase beginnt der Diesel-Einspritzvorgang mittels Diesel-Kraftstoffstrahlen 77, insbesondere z. B. eine Haupteinspritzung. Der Luftwirbel 81 sorgt im düsennahen Strahlbereich 83 des Diesel-Einspritzstrahls 77 vorteilhaft für einen Luftnachschub, der weitaus höher ist als die Luftansaugströmung, die der Diesel-Einspritzstrahl 77 selbst erzeugt.
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7 zeigt die Strahlverteilung im Brennraum 69 (Draufsicht auf das Brennraumdeck 67 mit Düse).
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Bei dieser dargestellten Strahlverteilung gemäß der ersten Ausgestaltung des Brennverfahrens wird ein jeweiliger Diesel-Einspritzstrahl 77 je zwischen zwei Luftstrahlen 79 ausgebracht (mit Bezug auf die Umfangsrichtung). Beachtlich ist hierbei, dass der Winkel zwischen Luftstrahl 79 und Diesel-Kraftstoffstrahl 77 insbesondere dem Drall der Zylinderladung angepasst ist, so dass der reflektierte bzw. zurücklaufende Luftstrahl 79 den Diesel-Einspritzstrahl 77 erfasst, nicht jedoch in die nächste Lücke zwischen den Kraftstoffstrahlen 77 geführt wird. Für den Fall einer drallfreien Zylinderladung liegt ein Luftstrahl 79 insbesondere genau mittig zwischen zwei Einspritzstrahlen 77.
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Gemäß der zweiten Ausgestaltung des Verfahrens, s. 8 bis 12, wird die korrespondierend mit einem Diesel-Einspritzvorgang in den Brennraum 69 ausgebrachte Luft – im Unterschied zur ersten Ausgestaltung – gegen Ende einer Verdichtungsphase und überlappend mit einem Diesel-Einspritzvorgang bis kurz vor Einspritzende ausgebracht. Unter Umlenkung im Brennraum 69 wird hierbei je Luftstrahl 79 ein Luftwirbel 81 im Brennraum 69 erzeugt, dessen Drehrichtung dadurch bestimmt ist, dass der Luftstrahl 79 zunächst von dem brennraumdeckfernen Ende 73 des Brennraums 69 (via die Kolbenmulde 73 und nachfolgend die Zylinderwand 75) zum Brennraumdeck 67 abgelenkt wird (oberhalb der Kraftstoffeinspritzstrahlebene drehender Wirbel; aus Symmetriegründen ist in den 8 bis 11 wiederum nur je ein Wirbel 81 dargestellt).
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Gemäß dieser zweiten Ausgestaltung des Brennverfahrens wird der Luftwirbel 81 (welcher ebenfalls um eine Umfangsrichtung verlaufende Achse dreht) derart erzeugt, dass mittels des Luftwirbels 81 ein Luftstrom derart erzeugt wird, dass ein benachbarter Diesel-Einspritzstrahl 77 von dem Luftstrom gegengerichtet geschnitten bzw. gekreuzt wird (nachfolgend anhand der 8 bis 12 näher erläutert).
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8 zeigt exemplarisch einen (Druck-)Luftstrahl 79, welcher korrespondierend mit einem Diesel-Einspritzvorgang über die Düsenanordnung 47 in den Brennraum 69 ausgebracht wird. Der Luftstrahl 79 wird unmittelbar vor der OT-Stellung des Kolbens 71 in den Brennraum 69 ausgebracht, so dass sich der Wirbel 81 bilden kann. Bei dieser Ausgestaltung wird der Beginn des Ausbringens der Druckluft bevorzugt so gewählt, dass nur noch ein sehr kleiner sekundärer Wirbel 7 gebildet werden kann. Der jeweilige Luftstrahl 79 wird durch die Form der Kolbenmulden 73 in Richtung Brennraumdeck 67 umgeleitet und bildet den (Primär-)Wirbel 81 aus.
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Zeitlich überschneidend mit dem Ausbringen der Luft wird, s. 9, ein jeweiliger Kraftstoff(strahl) 77 eingespritzt, so dass der Impuls der Wirbelströmung aufrechterhalten wird. Der Wirbel 81 kreuzt bei dieser Ausgestaltung gegengerichtet die Strahlebene des (benachbarten) Diesel-Einspritzstrahls 77. Zu diesem Zeitpunkt kann der Einspritzvorgang, insbesondere die Haupteinspritzung, beginnen. Der Einspritzvorgang kann über den OT, 10, bis etwa 30° KW über OT hinaus andauern. Das Ausbringen der Druckluft hält hierbei bevorzugt bis unmittelbar vor Ende, spätestens jedoch bis zum Ende, des Einspritzvorgangs (Haupteinspritzung) an, so dass die Verbrennung des bereits aufbereiteten Restkraftstoffs nicht gestört wird, 11.
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12 zeigt wiederum die Strahlverteilung im Brennraum 69 in Umfangsrichtung (Draufsicht auf das Brennraumdeck 67 mit Düse).
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Analog der ersten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Winkelausrichtung zwischen Kraftstoff 77- und Luftstrahl 79 in Abhängigkeit des Dralls der eingeströmten Zylinderladung so ausgelegt, dass der entgegengerichtete Luftstrahl 79 den benachbarten Kraftstoffstrahl 77 in seinem düsennahen Bereich 83 erfasst, das heißt dort wo die Aufbereitung mit Luft noch nicht abgeschlossen ist.
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Die höhere Relativgeschwindigkeit im Schnittbereich Luft-/Diesel-Einspritzstrahl beschleunigt vorteilhaft den Tröpfchenzerfall, insbesondere wenn bei geringerem Systemdruck eingespritzt wird. Auch bei der in 8 bis 12 gezeigten Strahlverteilung gemäß der zweiten Ausgestaltung des Brennverfahrens wird ein jeweiliger Diesel-Einspritzstrahl 77 je zwischen zwei Luftstrahlen 79 ausgebracht (mit Bezug auf die Umfangsrichtung).
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Im Rahmen der vorstehend erläuterten Erfindung ist weiterhin vorgesehen, beide vorstehend geschilderten Ausgestaltungen in einem Brennverfahren zu implementieren, z. B. in unterschiedlichen Arbeitsspielen.
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Mit der Erfindung könnten auch folgende Varianten realisiert werden:
- a) die Luft wird während des Ladungswechsels nachdem das Einlaßventil gerade geschlossen hat, in den Brennraum 69 ausgebracht. Hierdurch kann neben der Verbrennungsluftzufuhr durch zum Beispiel den Turbolader eine Steigerung der Zylinderladung erreicht werden. Das Einblasen in den Anfang des Verdichtungstaktes erfolgt hierbei bei einem geringeren Brennraumdruck. Eine solche Maßnahme könnte insbesondere für eine kurzzeitige Erhöhung der Motorleistung über das Maximum hinaus in Erwägung gezogen werden.
- b) die Luft wird während des Ladungswechsels beim Ausschieben des verbrannten Gases in den Brennraum 69 ausgebracht. Die Verdichterarbeit wäre verhältnismäßig gering, da im Zylinder niedriger Abgasgegendruck herrscht. Außerdem bestünde die Möglichkeit die Abgastemperatur, z. B. für den Bauteilschutz von Ventilen und Turbolader, geringfügig abzusenken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor
- 3
- Düsenkörper
- 5
- Axialbohrung
- 7
- Düsennadel
- 9
- Hochdruck-Zufuhrleitung
- 11
- Hochdruckeinlass
- 13
- Endabschnitt
- 15
- Düsenkörperbereich
- 17
- Düsenanordnung (erster Kraftstoff)
- 19
- Spritzloch (erster Kraftstoff)
- 21
- Düsenkuppe
- 23
- (Pilot-)Ventil
- 25
- Ventilgehäuse
- 27
- Injektorgehäuse
- 29
- Steuerraum
- 31
- Leckageströmungsweg
- 33
- Leckageauslass
- 35
- Drosselvorrichtung
- 37
- Hochdruck-Fluidpfad
- 39
- Drosselvorrichtung
- 41
- Nadelführungshülse
- 43
- Düsenfeder
- 45
- Nadelsitz
- 47
- Düsenanordnung (zweiter Kraftstoff)
- 49
- Spritzloch (zweiter Kraftstoff)
- 51
- (Gas-)Düsenkappe
- 53
- Durchgang
- 55
- Düsenraum
- 57, 59
- Strömungsweg (zweiter Kraftstoff)
- 61
- Einlass (zweiter Kraftstoff)
- 63
- Strömungsweg (zweiter Kraftstoff)
- 65
- (Gas-)Ventil
- 67
- Brennraumdeck
- 69
- Brennraum
- 71
- Kolben
- 73
- Kolbenmulde
- 75
- Zylinderwand
- 77
- Dieselkraftstoff-Einspritzstrahl
- 79
- Druckluftstrahl
- 81
- Luftwirbel
- 83
- düsennaher Strahlbereich
- 85
- Erhebung
- 87
- sekundärer Wirbel
