DE102014010714A1 - combustion process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem im Zylinder hin und her beweglichen Kolben, der mit dem Zylinder einen Brennraum begrenzt und eine dem Brennraum zugewandte Kolbenmulde aufweist, mit einem über der Kolbenmulde angeordneten Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Kolbenmulde.The invention relates to a self-igniting internal combustion engine having at least one cylinder and a reciprocating piston in the cylinder, which defines a combustion chamber with the cylinder and a piston cavity facing the combustion chamber, with an arranged above the piston recess injector for injecting fuel into the piston recess.
Description
Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Kolben mit Kolbenmulde und, in Kombination mit der gewählten Einspritzeinrichtung, insbesondere der Düsenstrahllage, ein Verfahren zur Bildung eines verbesserten homogenisierten Kraftstoff-Luft-Gemisches.The invention relates to a self-igniting internal combustion engine having a piston with piston recess and, in combination with the selected injection device, in particular the jet jet position, a method for forming an improved homogenized fuel-air mixture.
Aus der
Die
Die
Nachteilig an herkömmlichen dieselmotorischen Verfahren sind zum einen die Rußemissionen infolge der Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches eines direkteinspritzenden Dieselmotors. Durch die Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches, bildet sich in örtlich eng begrenzten Bereichen die Gemischbildung so weit aus, dass lokal Selbstzündungsbedingungen vorliegen, wohingegen in weiten anderen Bereichen das Gemisch noch sehr inhomogen ist. Demzufolge wird die Selbstzündung früher eingeleitet, als es für eine weitere Homogenisierung des Gemisches vorteilhaft wäre. Dabei wird insbesondere in Bereichen des Gemisches mit einem unterstöchiometrischen lokalen Luftverhältnis (Lambda < 1) Ruß gebildet.Disadvantages of conventional diesel engine processes are firstly the soot emissions due to the inhomogeneity of the fuel-air mixture of a direct-injection diesel engine. Due to the inhomogeneity of the fuel-air mixture, in locally confined areas, the mixture formation forms so far that local self-ignition conditions are present, whereas in many other areas the mixture is still very inhomogeneous. As a result, auto-ignition is initiated sooner than would be advantageous for further homogenization of the mixture. In this case, carbon black is formed in particular in regions of the mixture with a substoichiometric local air ratio (lambda <1).
Weiterhin nachteilig beim herkömmlichen direkteinspritzenden dieselmotorischen Verfahren sind die – aufgrund der prozessbedingten hohen Temperaturen – hohen Stickoxidemissionen.Another disadvantage of the conventional direct injection diesel engine process - due to the process-related high temperatures - high nitrogen oxide emissions.
Eine Möglichkeit, die Stickoxidemissionen zu reduzieren, ist die Verwendung von Abgasnachbehandlungssystemen, wie z. B. SCR-Katalysatoren oder einer Abgasrückführung (AGR), mit deren Hilfe die Verbrennungstemperatur, insbesondere die Prozessspitzentemperatur, abgesenkt werden kann. Mit sinkenden Verbrennungstemperaturen nimmt auch die Bildung von Stickoxiden ab.One way to reduce the nitrogen oxide emissions is the use of exhaust aftertreatment systems, such. As SCR catalysts or exhaust gas recirculation (EGR), with their help the combustion temperature, in particular the process tip temperature, can be lowered. With decreasing combustion temperatures, the formation of nitrogen oxides also decreases.
Nachteilig bei diesen Möglichkeiten sind entweder die Kosten und das Pakaging, oder, wie, im Falle einer inneren AGR, das schlechte transiente Verhalten des Motors im instationären Betrieb.Disadvantages of these options are either the costs and the packaging, or, as in the case of an internal EGR, the poor transient behavior of the engine in transient operation.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ohne die beschriebenen Nachteile wie beim herkömmlichen Verfahren darzustellen.Against this background, it is the object of the present invention to provide a method for forming a fuel-air mixture without the disadvantages described as in the conventional method.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kolben mit Kolbenmulde mit wenigstens einem Zylinder und einem im Zylinder hin und her beweglichen Kolben, der mit dem Zylinder einen Brennraum begrenzt und eine dem Brennraum zugewandte Kolbenmulde aufweist, mit einem über der Kolbenmulde angeordneten Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Kolbenmulde und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt. Der Motor besitzt einen Kolben mit ω-Mulde. Sie ist flach und weit ausgelegt und besitzt einen ausgeprägten Mittenkegel. Diese Kolbenmulde ist hinsichtlich niedrigster Schadstoffemissionen im Teillastbetrieb sowie bester Luftausnutzung für Volllast optimiert.This object is achieved by a piston having a piston recess with at least one cylinder and a piston movable in the cylinder, which delimits a combustion chamber with the cylinder and a piston recess facing the combustion chamber, with an injector arranged above the piston recess for injecting fuel into it the piston recess and a corresponding method for operating an internal combustion engine. Further advantageous embodiments are shown in the subclaims. The engine has a piston with ω-trough. It is flat and wide and has a pronounced center cone. This piston bowl is optimized for low pollutant emissions in partial load operation and best air utilization for full load.
Das Arbeitsverfahren des Dieselmotors beruht auf der Selbstzündung des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt dabei entweder direkt in den Hauptbrennraum als direkte Einspritzung oder in eine Vor- bzw. Wirbelkammer als indirekte Einspritzung. Der Kraftstoff verdampft, vermischt sich mit der verdichteten heißen Zylinderladung und entzündet sich selbst. Die innere Gemischbildung hat ein heterogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Folge. Eine wesentliche charakteristische Eigenschaft des Dieselmotors ist die Qualitätsregelung, d. h. die Lasteinstellung erfolgt bei vorgegebener Luftmasse durch die Änderung des Luftverhältnisses über die eingespritzte Kraftstoffmasse.The working method of the diesel engine is based on the self-ignition of the introduced into the combustion chamber fuel. The fuel injection takes place either directly into the main combustion chamber as a direct injection or in a forward or swirl chamber as indirect injection. The fuel evaporates, mixes with the compressed hot cylinder charge and ignites itself. The internal mixture formation results in a heterogeneous fuel-air mixture. An essential characteristic of the diesel engine is the quality control, d. H. the load setting is carried out at a given air mass by changing the air ratio of the injected fuel mass.
Durch die Kraftstoffeinspritzung im Bereich des oberen Totpunktes und die für die Einbringung des Kraftstoffs zur Verfügung stehende kurze Zeitspanne von nur einigen Millisekunden kommen dem Einspritzsystem und den Einspritzparametern eine entscheidende Bedeutung zu.Due to the fuel injection in the region of the top dead center and the available for the introduction of the fuel short period of only a few milliseconds, the injection system and the injection parameters are of crucial importance.
Die nach der Kraftstoffeinspritzung teilweise simultan ablaufenden Vorgänge der Gemischbildung und Verbrennung konventioneller Dieselbrennverfahren lassen sich in die nachfolgend aufgeführten Teilprozesse untergliedern: Zerstäubung, Verdampfung + Vermischung, Vorreaktionen, Zündung, Verbrennung + Schadstoffbildung.The processes of mixture formation and combustion of conventional diesel combustion processes, which sometimes take place simultaneously after the fuel injection, can be subdivided into the sub-processes listed below: atomization, evaporation + mixing, pre-reactions, ignition, combustion + formation of pollutants.
Der Zündverzug ist definiert als die Zeit zwischen dem Beginn der Einspritzung und der Selbstzündung. Dabei werden Strahlausbreitung, Zerstäubung und Verdampfung als physikalischer Zündverzug bezeichnet, die mit dem Beginn der Verdampfung einsetzenden chemischen Reaktionen werden chemischer Zündverzug genannt.The ignition delay is defined as the time between the start of the injection and the auto-ignition. In this case, beam propagation, atomization and evaporation are referred to as physical ignition delay, the chemical reactions beginning with the onset of evaporation are called chemical ignition delay.
Durch den hohen Einspritzdruck treten die Einspritzstrahlen mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse aus und zerfallen infolge aerodynamischer Kräfte, die aus der Relativgeschwindigkeit des Kraftstoffs zur Zylinderladung resultieren, in eine Vielzahl unterschiedlich großer Tröpfchen. Die Güte der Kraftstoffzerstäubung ist abhängig von der Viskosität, der Dichte und der Oberflächenspannung des Kraftstoffes, von der Höhe des Einspritzdruckes, von der Düsengeometrie sowie von der Dichte und den Bewegungsverhältnissen der Brennraumluft. Begünstigt wird die Kraftstoffzerstäubung durch die im Einspritzstrahl vorhandenen Turbulenzen. Wechselwirkungen von Tropfen untereinander führen zu Stoßvorgängen, aus denen ein Zerfall oder eine Vereinigung der Tropfen resultieren kann. Die stärkste Abbremsung der Kraftstofftropfen ergibt sich an der Strahlspitze und im Strahlrandbereich. Nachfolgend eingespritzter Kraftstoff durchstößt die Strahlspitze, was zu ihrer pilzförmigen Ausbildung und zu deutlich ausgeprägten Strukturen im Strahl führt. Die turbulenten Interaktionen der Kraftstofftropfen bei diesem Vorgang sind der Gemischbildung förderlich.Due to the high injection pressure, the injection jets exit the nozzle at high speed and disintegrate into a multiplicity of droplets of different sizes due to aerodynamic forces resulting from the relative speed of the fuel to the cylinder charge. The quality of the fuel atomization is dependent on the viscosity, the density and the surface tension of the fuel, the height of the injection pressure, the nozzle geometry and the density and the movement conditions of the combustion chamber air. Fuel atomization is favored by the turbulence in the injection jet. Interactions of droplets with one another lead to shock processes, from which a decay or a combination of the droplets can result. The strongest deceleration of the fuel droplets results at the beam tip and in the beam edge region. Subsequently injected fuel pierces the jet tip, which leads to their mushroom-shaped formation and to distinct structures in the beam. The turbulent interactions of the fuel droplets in this process are conducive to mixture formation.
Die Geometrie des Brennraums trägt ebenfalls einen wesentlichen Anteil zur Optimierung des Brennverfahrens bei. Von besonderer Wichtigkeit zur Ausnutzung des maximalen Potenzials ist die Abstimmung von Einspritzsystem und Brennraumgeometrie aufeinander. Zu optimierende Parameter des Brennraums sind vor allem die Form der Kolbenmulde in Kombination mit dem durch die Einlasskanäle erzeugten Luftdrall und die Minimierung der Schadvolumina im Quetschspalt, im Feuersteg sowie im Zylinderkopf.The geometry of the combustion chamber also contributes significantly to the optimization of the combustion process. Of particular importance for exploiting the maximum potential is the coordination of the injection system and the combustion chamber geometry. The parameters of the combustion chamber to be optimized are above all the shape of the piston recess in combination with the air swirl generated by the inlet channels and the minimization of the damage volumes in the nip, in the top land and in the cylinder head.
Als Drallströmung wird eine um die Zylinderachse rotierende Einströmung in den Zylinder bezeichnet, deren Ausbildung von der Geometrie des Einlasstraktes abhängt. Aus der während der Einlassphase erzeugten Drallströmung resultiert die im Brennraum herrschende Ladungsbewegung im Bereich des oberen Totpunktes, die entscheidenden Einfluss auf die folgende Gemischbildung und Verbrennung hat. Die Messung der Zylinderkopfströmung des Versuchsträgers erfolgt in einem stationären Strömungsprüfstand.As a swirl flow, a rotating about the cylinder axis inflow into the cylinder is referred to, the formation of which depends on the geometry of the intake tract. From the swirl flow generated during the intake phase, the charge movement prevailing in the combustion chamber results in the region of top dead center, which has a decisive influence on the subsequent mixture formation and combustion. The measurement of the cylinder head flow of the test carrier takes place in a stationary flow test bench.
Mit der Festlegung des Verdichtungsverhältnisses wird ein wesentlicher Einfluss auf das Motorverhalten bei Teillast und Volllast genommen. Neben dem eigentlichen Brennraum hat auch der Zylinderkopf einen wesentlichen Einfluss auf die Verbrennung. Bei den meisten Pkw-Dieselmotoren hat sich inzwischen die 4-Ventiltechnik mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen je Zylinder durchgesetzt, die üblicherweise durch zwei obenliegende Nockenwellen betätigt werden. Vorteile ergeben sich gegenüber 2-Ventil-Konzepten hinsichtlich eines größeren Öffnungsquerschnittes und somit einer besseren Zylinderfüllung sowie variabel gestaltbarem Drall. Dabei wird einer der beiden Einlasskanäle als Füllkanal mit einem hohen Durchfluss und einer geringen Drallbildung ausgelegt, der zweite Einlasskanal wird als Drallkanal mit einer stärker ausgeprägten Erzeugung rotatorischer Luftbewegung und reduziertem Durchfluss ausgelegt. Diese Konzeption ermöglicht in niedrigen Lastpunkten, in denen der Dieselmotor durch die Qualitätsregelung ohnehin mit einem hohen Luftüberschuss betrieben wird, die Realisierung einer Drallsteuerung durch Abschaltung des Füllkanals. Die Folge ist eine Verbesserung der luftseitigen Gemischbildung mit reduzierender Wirkung auf die Rußbildung und somit verbesserter Abgasrückführverträglichkeit. By determining the compression ratio, a significant influence on the engine behavior at partial load and full load is taken. In addition to the actual combustion chamber, the cylinder head also has a significant impact on combustion. Most passenger car diesel engines have now adopted 4-valve technology with two intake valves and two exhaust valves per cylinder, which are usually actuated by two overhead camshafts. Advantages arise over 2-valve concepts with regard to a larger opening cross-section and thus better cylinder filling and variably configurable swirl. In this case, one of the two inlet channels is designed as a filling channel with a high flow and a low swirl formation, the second inlet channel is designed as a swirl channel with a more pronounced generation of rotary air movement and reduced flow. This concept allows for low load points, in which the diesel engine is operated by the quality control anyway with a high excess of air, the realization of a swirl control by switching off the filling channel. The result is an improvement in the air-side mixture formation with a reducing effect on the formation of soot and thus improved Abgasrückführverträglichkeit.
Hierbei ist die Abstimmung von Einspritzsystem und Drallbildung zur Vermeidung von ineinander wehenden Kraftstoffstrahlen wichtig. Einfluss auf die Verbrennung hat weiterhin das Luftsystem des Dieselmotors. Die Auslegung des Abgasturboladers stellt hierbei einen Kompromiss aus dynamischem Ansprechverhalten beim Anfahren oder Beschleunigen aus niedriger Motordrehzahl und Last sowie maximal realisierbarem Ladedruck aufgrund des Erreichens der Stopfgrenze der Turbine im Nennleistungspunkt des Motors dar. Die Einführung der variablen Turbinengeometrie erbrachte hier einen wesentlichen Fortschritt. Zukünftig werden 2-stufige Aufladekonzepte bzw. Registeraufladung weiteres Potenzial bieten, bei denen ein kleiner Hochdruck-Turbolader für ein gutes dynamisches Ansprechverhalten durch steigende Ladedrücke bei niedriger Motordrehzahl und Last sorgt, während ein großer Niederdruck-Turbolader deutlich höhere Ladedrücke im oberen Drehzahlbereich des Motors ermöglicht. Beim späten Einlassventilöffnen läuft der Kolben zu Beginn des Ansaugtaktes bei geschlossenen Einlassventilen abwärts und expandiert die Restgase im Zylinder, wodurch ein Unterdruck im Brennraum entsteht. Zum Zeitpunkt des Einlassventilöffnens strömt dann durch die Druckdifferenz zwischen Saugrohr und Brennraum die Ansaugluft mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit in den Zylinder. Durch diese Strategie kann die gesamte Ladungsbewegung, vor allem aber die Drallströmung im Brennraum vergrößert werden, was die luftseitige Gemischbildung verstärkt. Je nach Betriebspunkt und Luftbedarf des Motors kann mit dieser Strategie die luftseitige Gemischbildung deutlich verbessert und so das Emissionsverhalten positiv beeinflusst werden. Einlassseitig kann ein Kanal zur Erzeugung von Ladungsbewegung als Drallkanal ausgebildet sein, der andere Kanal dient der Optimierung der Zylinderfüllung und ist als Tangentialkanal realisiert.In this case, the coordination of the injection system and swirl formation is important for avoiding fuel jets flowing into each other. Influence on the combustion continues to have the air system of the diesel engine. The design of the exhaust gas turbocharger here represents a compromise between dynamic response when starting or accelerating from low engine speed and load and maximum feasible boost pressure due to reaching the Stopfgrenze the turbine in the rated engine power point. The introduction of variable turbine geometry made here a significant step forward. In the future, dual-stage supercharging concepts will provide further potential where a small high-pressure turbocharger provides good dynamic response through increasing boost pressures at low engine speed and load, while a large low-pressure turbocharger provides significantly higher boost pressures in the engine's high-rpm range , At the late intake valve opening, the piston runs down at the beginning of the intake stroke with the intake valves closed and expands the residual gases in the cylinder, resulting in a negative pressure in the combustion chamber. At the time of the intake valve opening, the intake air then flows through the pressure difference between the intake manifold and the combustion chamber at a higher flow rate into the cylinder. Through this strategy, the entire charge movement, but especially the swirl flow in the combustion chamber can be increased, which enhances the air-side mixture formation. Depending on the operating point and the air requirement of the engine, this strategy can significantly improve the air-side mixture formation and thus positively influence the emission behavior. On the inlet side, a channel for generating charge movement may be formed as a swirl channel, the other channel serves to optimize the cylinder filling and is realized as a tangential channel.
Durch die hohe Temperatur im Brennraum kommt es unmittelbar nach der Zerstäubung des Kraftstoffs zu einer Verdampfung zunächst der leicht flüchtigen Bestandteile und später der schwer flüchtigen Komponenten der Kraftstofftropfen. Diffusion und Konvektion führen zur Vermischung von Kraftstoff und Luft, bei der sich ein stark inhomogenes Gemisch ausbildet, dessen düsennaher Bereich und Strahlkern deutlich unterstöchiometrisch sind und einen hohen Anteil noch flüssigen Kraftstoffs aufweisen. Mit zunehmender Entfernung von der Düse und der Strahlachse sowie mit fortschreitender Zeit nach dem Einspritzbeginn wird das Gemisch immer magerer und zunehmend gasförmig. Durch diese Schichtung existieren im Strahlmantel stets Bereiche mit günstigen Mischungsverhältnissen für die Selbstzündung.Due to the high temperature in the combustion chamber, immediately after the atomization of the fuel, evaporation of the volatile constituents and later of the hardly volatile components of the fuel droplets occurs. Diffusion and convection lead to the mixing of fuel and air, in which a highly inhomogeneous mixture is formed, whose nozzle-near region and jet core are clearly substoichiometric and have a high proportion of still liquid fuel. With increasing distance from the nozzle and the jet axis as well as with time after the start of injection, the mixture becomes increasingly lean and increasingly gaseous. Due to this stratification, there are always areas in the blasting jacket with favorable mixing ratios for autoignition.
Neben den genannten physikalischen Prozessen der Gemischaufbereitung führen die stark druck- und temperaturabhängigen chemischen Reaktionen über die Erzeugung von Wärme und Bildung von Radikalen schließlich zur Selbstzündung am Ort der hierfür günstigsten Voraussetzungen. Das inhomogene Gemisch im Brennraum des Dieselmotors verfügt stets über Gebiete mit günstigen Zündbedingungen. Hierbei findet die erste Selbstzündung bevorzugt in Bereichen fetteren Gemisches mit Luftverhältnissen zwischen l = 0,6 und l = 0,8 statt. Das im Brennraum herrschende Gesamtluftverhältnis übt kaum Einfluss auf den Zündverzug aus. Bei zunehmend fettem Gemisch kommt es zu trägeren Reaktionen, hauptsächlich bedingt durch die stärkere Gemischabkühlung bei der endothermen Verdampfung der größeren Brennstoffmasse. Neben Druck, Temperatur und Einspritzmenge sind auch die Cetanzahl des Kraftstoffs, der Einspritzdruck, der Düsenlochdurchmesser, der Siedeverlauf des Kraftstoffs und die Brennraumströmung entscheidend für den Zündverzug.In addition to the above-mentioned physical processes of mixture preparation, the highly pressure- and temperature-dependent chemical reactions via the generation of heat and formation of radicals finally lead to auto-ignition at the location of this most favorable conditions. The inhomogeneous mixture in the combustion chamber of the diesel engine always has areas with favorable ignition conditions. Here, the first autoignition preferably takes place in areas of richer mixture with air ratios between l = 0.6 and l = 0.8. The prevailing in the combustion chamber total air ratio exerts little influence on the ignition delay. With increasingly rich mixture leads to slower reactions, mainly due to the stronger mixture cooling in the endothermic evaporation of the larger fuel mass. In addition to pressure, temperature and injection quantity, the cetane number of the fuel, the injection pressure, the nozzle hole diameter, the boiling curve of the fuel and the combustion chamber flow are decisive for the ignition delay.
Ein weiterer wichtiger Parameter, der die chemischen Vorreaktionen beeinflusst, ist die Abgasrückführung. Der zeitliche Verlauf der konventionellen dieselmotorischen Verbrennung wird in mehrere Phasen untergliedert.Another important parameter influencing the chemical pre-reactions is exhaust gas recirculation. The time course of conventional diesel engine combustion is broken down into several phases.
Zunächst entzünden sich die Bereiche eines lokal homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer vorgemischten Verbrennung (Premixed-Verbrennung) mit schneller Flammenausbreitung und im gut aufbereiteten und reaktionsfreudigen Gemisch (1. Phase). Die schnelle Flammenausbreitung der Premixed-Verbrennung führt zu einem steilen Druckgradienten.First, the areas of a locally homogeneous fuel-air mixture ignite in a premixed combustion with rapid flame propagation and in a well-prepared and reactive mixture (1. Phase). The rapid flame propagation of the premixed combustion leads to a steep pressure gradient.
Kennzeichnend für diese Brennphase ist eine ausgeprägte Spitze im Brennverlauf. In der nachfolgenden mischungskontrollierten Diffusionsverbrennung erfolgt der Umsatz weiterer Kraftstoffmengen (2. Phase). Bereiche unvollendeter Vermischung der Reaktionspartner verbrennen durch Mischungsprozesse kontrolliert, indem der Kraftstoff und die Luft diffusionsgesteuert in die Flamme strömen. Dabei vermischt sich der Kraftstoff mit Luft und Verbrennungsgasen unterschiedlichster Zusammensetzungen. Die während der Verbrennung stattfindenden Gemischbildungsvorgänge haben einen entscheidenden Einfluss auf den Verbrennungsverlauf. Abnehmende Gastemperaturen und eine geringe Konzentration der Reaktionspartner bewirken eine nur noch sehr schleppend verlaufende Verbrennung der Restkraftstoffmenge in der Nachverbrennungsphase (3. Phase).Characteristic of this burning phase is a pronounced peak in the firing process. In the subsequent mixture-controlled diffusion combustion, the conversion of further quantities of fuel (2nd phase) takes place. Burn areas of unfinished mixing of the reactants through mixing processes controlled by the fuel and the air flow diffusion controlled into the flame. The fuel mixes with air and combustion gases of various compositions. The combustion processes taking place during combustion have a decisive influence on the course of combustion. Decreasing gas temperatures and a low concentration of the reactants cause a very sluggish combustion of the residual fuel quantity in the post-combustion phase (3rd phase).
Bei der dieselmotorischen Verbrennung sind die Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) und Kohlenmonoxid-Emissionen (CO) als Produkte unvollständiger Verbrennung sehr gering im Vergleich zum Ottomotor. Die Reduzierung der Stickoxide und der Partikel erweist sich beim Diesel als deutlich schwieriger. Bei der homogenen oder teilhomogenen Verbrennung von Dieselkraftstoff treten hingegen teilweise deutlich höhere HC- und CO-Emissionen auf.In diesel engine combustion, hydrocarbon emissions (HC) and carbon monoxide (CO) emissions as products of incomplete combustion are very low compared to gasoline engines. The reduction of nitrogen oxides and particles proves to be much more difficult with diesel. By contrast, homogeneous or partially homogeneous combustion of diesel fuel sometimes results in significantly higher HC and CO emissions.
Die Kohlenwasserstoffanteile im dieselmotorischen Abgas sind ein Produkt unvollständiger Verbrennung. Die Ursache für die unvollständige Verbrennung können stark abgemagerte Bereiche im Brennraum sein, die nicht von der Flamme erfasst werden und bei niedrigen Temperaturen nicht rechtzeitig oder nur teilweise reagieren. Wird die Verbrennung in die Expansionsphase verlagert, kann die Flamme aufgrund sinkender Brennraumtemperaturen erlöschen und es kommt ebenfalls zu einem Anstieg der HC-Emissionen.The hydrocarbon constituents in the diesel engine exhaust gas are a product of incomplete combustion. The cause of the incomplete combustion can be very lean areas in the combustion chamber, which are not detected by the flame and do not react in time or only partially at low temperatures. If the combustion is shifted into the expansion phase, the flame can go out due to decreasing combustion chamber temperatures and there is also an increase in HC emissions.
Weiterhin steigen die Kohlenwasserstoff-Emissionen z. B. durch unkontrolliertes spätes Eindringen von Kraftstoff aufgrund undichter Kraftstoffdüsen oder durch Auftreffen größerer Mengen Kraftstoff auf die Zylinder- oder Muldenwand an.Furthermore, the hydrocarbon emissions increase z. B. by uncontrolled late penetration of fuel due to leaking fuel nozzles or by hitting larger amounts of fuel to the cylinder or trough wall.
Kohlenmonoxid ist vorwiegend auf die nicht vollständige Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe zurückzuführen. Da der Dieselmotor zwar bei der Verbrennung örtlich fette Gemischzonen aufweist, jedoch insgesamt mit mageren Mischungsverhältnissen arbeitet, ist genügend Sauerstoff zur CO-Oxidation vorhanden. Ein Anstieg findet bei der Annäherung an das stöchiometrische Luftverhältnis statt.Carbon monoxide is mainly due to the incomplete oxidation of unburned hydrocarbons. Although the diesel engine has locally rich mixture zones during combustion, but works with lean mixture ratios overall, there is sufficient oxygen for CO oxidation. An increase takes place when approaching the stoichiometric air ratio.
Hinsichtlich der Bildung von Stickoxiden unterscheidet man im Wesentlichen drei Mechanismen, das Thermische NO nach Zeldovich, das Promte NO nach Fenimore und das Brennstoff-NO.With regard to the formation of nitrogen oxides, a distinction is made essentially three mechanisms, the Zeldovich Thermal NO, the Fenimore Promte NO and the fuel NO.
Thermisches NO nach Zeldovich; bei der Verbrennung unter hohen Temperaturen (> 2200 K) kommt es in lokalen Bereichen mit Sauerstoffüberschuss zu einer Reaktion des sich in der Ansaugluft befindenden und sich nicht streng inert verhaltenden Stickstoffs zu Stickoxiden (NOx). Dieses Stickoxid wird thermisches NO genannt und entsteht nach den Zeldovich-Mechanismen. Insgesamt sind an der Stickoxidbildung mindestens 16 bekannte Reaktionen beteiligt. Alle Gleichungen besitzen jeweils zwei Reaktionspartner auf jeder Seite (bimolekulare Hin- und Rückreaktion). Es sind acht Oxidationsformen bekannt, von denen für die dieselmotorische Verbrennung nur das Stickstoffmonoxid und das Stickstoffdioxid relevant sind. Stickstoffmonoxid wird während der Verbrennungsphase gebildet. Stickstoffdioxid dagegen ist ein Folgeprodukt, das bei niedrigen Temperaturen durch Nachoxidation des Stickstoffmonoxids gebildet wird. Die Hauptparameter zur Beeinflussung der thermischen NO-Bildung sind somit die Temperatur, die Sauerstoffkonzentration am Ort der Verbrennung und damit das lokale Luftverhältnis sowie die Verweildauer bei hoher Temperatur.Thermal NO according to Zeldovich; During combustion at high temperatures (> 2200 K) in local areas with an excess of oxygen there is a reaction of the nitrogen, which is in the intake air and not strictly inert, to form nitrogen oxides (NO x ). This nitric oxide is called thermal NO and is formed by the Zeldovich mechanisms. Overall, at least 16 known reactions are involved in nitric oxide formation. All equations each have two reactants on each side (bimolecular back and forth reactions). Eight oxidation forms are known, of which only nitrogen monoxide and nitrogen dioxide are relevant for diesel engine combustion. Nitric oxide is formed during the combustion phase. Nitrogen dioxide, on the other hand, is a secondary product formed by post-oxidation of nitrogen monoxide at low temperatures. The main parameters for influencing the thermal NO formation are thus the temperature, the oxygen concentration at the place of combustion and thus the local air ratio and the residence time at high temperature.
Das prompte NO nach Fenimore bildet sich in der Flammenfront, insbesondere unter brennstoffreichen Bedingungen. Durch die Reaktion von Kohlenwasserstoffradikalen mit Stickstoffmolekülen bilden sich Zyanide, woraus sich in Nebenreaktionen mit Sauerstoffträgern NO bildet. Die Bildung von promptem NO tritt vor allem bei Luftmangel auf, da das Ethin (Acetylen) als Vorläufer des CH-Radikals nur unter brennstoffreichen Bedingungen gebildet wird. Durch die geringe Konzentration von CH-Radikalen spielt diese Art der Stickoxidbildung jedoch eine untergeordnete Rolle.The prompt NO after Fenimore forms in the flame front, especially under fuel-rich conditions. Cyanides are formed by the reaction of hydrocarbon radicals with nitrogen molecules, from which NO is formed in side reactions with oxygen carriers. The formation of prompt NO occurs mainly in the absence of air, since the ethyne (acetylene) is a precursor of the CH radical formed only under fuel-rich conditions. Due to the low concentration of CH radicals, however, this type of nitrogen oxide formation plays a subordinate role.
Während des Verbrennungsprozesses bilden sich aus dem im Kraftstoff gebundenen Stickstoff durch Zerfall einfache Amine und Zyanide. Diese sekundären Stickstoffverbindungen reagieren mit Sauerstoff weiter zu NO. Da der im Kraftstoff enthaltene Stickstoffanteil sehr gering ist, und auch nur ein Teil davon in NO umgewandelt wird, kann der Anteil des Brennstoff-NO an den Stickoxid-Emissionen ebenfalls vernachlässigt werden.During the combustion process, the nitrogen bound in the fuel forms by decomposition simple amines and cyanides. These secondary nitrogen compounds react with oxygen further to NO. Since the nitrogen content contained in the fuel is very low, and even a part of it is converted into NO, the proportion of fuel NO in the nitrogen oxide emissions can also be neglected.
Für grundsätzliche Betrachtungen sind die Zeldovich-Gleichungen ausreichend. In der Nähe der Grenztemperatur von 2200 K kommt es zu einer stetigen Verlangsamung der NOx-Bildungsmechanismen, die bei Unterschreitung der Grenztemperatur endgültig zum Erliegen kommen.For fundamental considerations, the Zeldovich equations are sufficient. In the vicinity of the limit temperature of 2200 K, there is a steady slowing of the NO x formation mechanisms, which finally come to a standstill when the temperature falls below the limit temperature.
Gesetzlich limitierte Partikel-Emissionen setzen sich aus Ruß und angelagerten Kohlenwasserstoffen, Sulfaten, Aschen und metallischem Abrieb zusammen. Die Bildung erfolgt nach sehr komplexen Mechanismen und ist im Detail noch nicht geklärt. Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen führt zu Rußbildung, wenn Kraftstoff bei lokalem Luftmangel und Temperaturen über 1400 K verbrennt oder Pyrolyseprozesse im Kraftstoff stattfinden. Der Rußbildungsprozess lässt sich in die zum Teil simultan ablaufenden Phasen Teilchenneubildung, Oberflächenwachstum, Koagulation, Agglomeration und Nachoxidation unterteilen. Legally limited particulate emissions are composed of soot and accumulated hydrocarbons, sulphates, ashes and metallic abrasion. The formation takes place after very complex mechanisms and is not yet clarified in detail. The combustion of hydrocarbons leads to soot formation when fuel burns in local air deficiencies and temperatures above 1400 K or pyrolysis processes take place in the fuel. The carbon black formation process can be subdivided into the partially simultaneous phases of particle formation, surface growth, coagulation, agglomeration and post-oxidation.
Parallel zu den Rußbildungsvorgängen findet in Gebieten hoher Sauerstoffkonzentration eine Oxidation der Rußpartikel statt. Durch diesen Prozess beträgt die Rußemission der dieselmotorischen Verbrennung nur etwa 5% der zwischenzeitlich auftretenden maximalen Rußkonzentration. Die Rußoxidation findet bei Temperaturen > 1300 K statt. Neben dem molekularen Sauerstoff kommen auch anderen Reaktionspartnern, wie dem OH-Radikal bei der Rußoxidation eine wesentliche Bedeutung zu. Die Oxidationsrate nimmt mit steigender Temperatur bzw. steigendem Sauerstoff-Partialdruck zu.In parallel to the soot formation processes, oxidation of the soot particles takes place in regions of high oxygen concentration. By this process, the soot emission of the diesel engine combustion is only about 5% of the meanwhile occurring maximum soot concentration. The soot oxidation takes place at temperatures> 1300 K. In addition to the molecular oxygen, other reaction partners, such as the OH radical in the oxidation of soot, are of considerable importance. The oxidation rate increases with increasing temperature or increasing oxygen partial pressure.
Die Geometrie des Brennraums trägt ebenfalls einen wesentlichen Anteil zur Optimierung des Brennverfahrens bei. Von besonderer Wichtigkeit zur Ausnutzung des maximalen Potenzials ist die Abstimmung von Einspritzsystem und Brennraumgeometrie aufeinander. Zu optimierende Parameter des Brennraums sind vor allem die Form der Kolbenmulde in Kombination mit dem durch die Einlasskanäle erzeugten Luftdrall und die Minimierung der Schadvolumina im Quetschspalt, im Feuersteg sowie im Zylinderkopf. Mit der Festlegung des Verdichtungsverhältnisses wird ein wesentlicher Einfluss auf das Motorverhalten bei Teillast und Volllast genommen. Der derzeitige Entwicklungstrend zeigt eine Senkung des Verdichtungsverhältnisses für moderne Pkw-Dieselmotoren. Zukünftige Konzepte weisen Verdichtungsverhältnisse von 17:1 und darunter auf. Durch eine Absenkung des Kompressionsenddrucks und der Kompressionsendtemperatur wird die Bildung von Stickoxiden verringert. Eine längere freie Einspritzstrahllänge aufgrund des größeren Muldendurchmessers verbessert die Gemischaufbereitung und verringert somit die Rußbildung. Ebenso verbessert sich im Volllastbetrieb die Luftausnutzung, was zusammen mit einem früheren Einspritzbeginn ohne Erhöhung des maximalen Spitzendrucks zu einer Steigerung der Leistungsabgabe des Dieselmotors führt. Nachteilig wirkt sich die Absenkung des Verdichtungsverhältnisses auf die Bildung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden aus, da durch geringeren Kompressionsenddruck und geringere Kompressionsendtemperatur die Reaktionen einfrieren und die Verbrennung somit unvollständig abläuft. Weitere Nachteile sind die Verschlechterung des Verbrennungswirkungsgrades, teilweise kompensierbar durch eine Anpassung des Einspritzbeginns, sowie die Verschlechterung des Kaltstartverhaltens besonders bei extrem niedrigen Außentemperaturen. Dem Nachteil im Kaltstartverhalten kann durch verbesserte Glühkerzen und Glühstrategien, eine optimierte Einspritzstrategie und eine angepasste Lage der Einspritzstrahlen zur Glühkerze entgegengewirkt werden.The geometry of the combustion chamber also contributes significantly to the optimization of the combustion process. Of particular importance for exploiting the maximum potential is the coordination of the injection system and the combustion chamber geometry. The parameters of the combustion chamber to be optimized are above all the shape of the piston recess in combination with the air swirl generated by the inlet channels and the minimization of the damage volumes in the nip, in the top land and in the cylinder head. By determining the compression ratio, a significant influence on the engine behavior at partial load and full load is taken. The current development trend shows a reduction in the compression ratio for modern passenger car diesel engines. Future concepts have densification ratios of 17: 1 and below. By lowering the compression end pressure and the compression end temperature, the formation of nitrogen oxides is reduced. A longer free injection jet length due to the larger bowl diameter improves the mixture preparation and thus reduces soot formation. Likewise, the utilization of air improves in full-load operation, which, together with an earlier start of injection without increasing the maximum peak pressure, leads to an increase in the power output of the diesel engine. A disadvantage is the lowering of the compression ratio on the formation of hydrocarbons and carbon monoxides, since the lower compression end pressure and lower compression end temperature freeze the reactions and the combustion thus proceeds incomplete. Other disadvantages are the deterioration of the combustion efficiency, partially compensated by an adjustment of the injection start, and the deterioration of the cold start behavior, especially at extremely low outside temperatures. The disadvantage in cold start behavior can be counteracted by improved glow plugs and annealing strategies, an optimized injection strategy and an adapted position of the injection jets to the glow plug.
Die konventionelle Dieselverbrennung läuft nach der vorgemischten Verbrennung der im Zündverzug eingebrachten Kraftstoffmenge als mischungskontrollierte Diffusionsverbrennung mit einem stark heterogenen Kraftstoff-Luft-Verhältnis ab. Dies begünstigt einerseits die Rußbildung in Zonen lokalen Sauerstoffmangels, andererseits läuft die Diffusionsverbrennung am Strahlrand in nahe-stöchiometrischen Bereichen ab, was zu hohen lokalen Temperaturen in der Verbrennungszone führt und die Bildung von thermischem NO nach den Zeldovich-Mechanismen begünstigt. Im Gegensatz dazu liegt beim konventionell betriebenen Ottomotor ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor. Der Ablauf der Verbrennung erfolgt nach Fremdzündung durch eine fortschreitende Flammenfront mit lokal sehr hohen Temperaturen und daraus resultierender hoher NO-Bildung und nahezu ohne Partikelbildung.The conventional diesel combustion proceeds after the premixed combustion of the amount of fuel introduced in the ignition delay as a mixture-controlled diffusion combustion with a highly heterogeneous fuel-air ratio. On the one hand, this promotes soot formation in zones of local oxygen deficiency, on the other hand, diffusion combustion at the jet edge proceeds in near-stoichiometric regions, which leads to high local temperatures in the combustion zone and favors the formation of thermal NO according to the Zeldovich mechanisms. In contrast, the conventional gasoline engine is a homogeneous fuel-air mixture. The combustion takes place after spark ignition by a progressive flame front with locally very high temperatures and resulting high NO formation and virtually no particle formation.
Dem Einspritzsystem kommt bei der dieselmotorischen Verbrennung eine zentrale Bedeutung zu. Die direkte Einbringung des Kraftstoffs in den Brennraum und die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beeinflussen wesentlich den Verbrennungsablauf, dessen Wirkungsgrad sowie die Bildung der Schadstoffemissionen. Neben dem Einspritzdruck stellt die Einspritzdüse eines der wichtigsten Kriterien beim Einspritzsystem dar. Für ein Brennverfahren werden vor allem der Lochdurchmesser, der Höhenwinkel, der Strömungsbeiwert, die Verrundung der Düsenlocheintritte und -austritte sowie die Anzahl der Düsenlöcher an die Brennraumgeometrie und die Luftbewegung im Brennraum optimal angepasst.The injection system is of central importance in diesel engine combustion. The direct introduction of the fuel into the combustion chamber and the treatment of the fuel-air mixture significantly affect the combustion process, its efficiency and the formation of pollutant emissions. In addition to the injection pressure, the injection nozzle is one of the most important criteria in the injection system. For a combustion process, especially the hole diameter, the elevation angle, the flow coefficient, the rounding of the nozzle hole entries and exits and the number of nozzle holes to the combustion chamber geometry and the air movement in the combustion chamber optimal customized.
Beim Dieselmotor ist durch den Betrieb mit Luftüberschuss eine Abgasnachbehandlung mittels 3-Wege-Katalysator und l = 1-Regelung wie beim Ottomotor nicht möglich. Aus diesem Grund kommt derzeit nur ein Oxidationskatalysator zur Minimierung von Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen sowie vermehrt ein Partikelfilter zum Einsatz.In the case of a diesel engine, operation with excess air does not permit exhaust aftertreatment by means of a 3-way catalytic converter and l = 1 control, as in the gasoline engine. For this reason, currently only one oxidation catalyst for minimizing carbon monoxide and hydrocarbon emissions and increasingly a particulate filter is used.
Die Einhaltung derzeitiger und zukünftiger Abgasemissionsstandards hinsichtlich HC und CO ist mit dem konventionellen Dieselbrennverfahren mit Direkteinspritzung in Kombination mit Oxidationskatalysatoren möglich.Compliance with current and future exhaust emission standards with regard to HC and CO is possible with the conventional diesel combustion process with direct injection in combination with oxidation catalysts.
Dagegen stellt die Reduktion der Stickoxid-Emissionen und der Partikel-Emissionen eine weitaus größere Herausforderung dar, weswegen hier der Fokus der Entwicklungsaktivitäten beim Dieselmotor liegt. In contrast, the reduction of nitrogen oxide emissions and particulate emissions represents a much greater challenge, which is why the focus here is on development activities in the diesel engine.
Generell wird zwischen innermotorischen Maßnahmen zur Rohemissionssenkung und dem Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen unterschieden. Im Bereich der Abgasnachbehandlung wird zur Minimierung des Partikelausstoßes der Dieselpartikelfilter weiterentwickelt. Der Einsatz dieser Konzepte beim derzeitigen Stand der Technik ist allerdings mit deutlichen Mehrkosten verbunden. Hierzu zählen ein erhöhter Kraftstoffverbrauch bei Regenerationsvorgängen für Partikelfilter und NOx-Speicherkatalysator, zusätzliche Additive bei einigen Partikelfilter-Technologien, mitzuführende Reduktionsmittel, wie Harnstoff beim SCR und die Herstellungskosten der Komponenten in erster Linie für verwendete Edelmetalle. Weiterhin sind die Regenerationsvorgänge durch eine notwendige Anhebung der Abgastemperatur bei niedriger Motordrehzahl und -last nicht ohne weiteres darstellbar, so dass sich für Fahrzeuge, die ausschließlich im Stadtverkehr betrieben werden, hier weitere Herausforderungen ergeben. Der Schwerpunkt der Entwicklung des dieselmotorischen Brennverfahrens muss aus den genannten Gründen weiterhin auf der innermotorischen Rohemissionssenkung liegen, um Abgasnachbehandlungskonzepte möglichst vermeiden bzw. einfacher gestalten zu können. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einspritzdüse bezüglich der Kolbenlängsachse um etwa 10 bis 25° geneigt ist. Die Zylinderbohrung liegt in einem Bereich von 90 mm bis 115 mm.In general, a distinction is made between internal engine measures for lowering the raw emissions and the use of exhaust aftertreatment systems. In the field of exhaust aftertreatment, the diesel particulate filter is further developed to minimize particulate emissions. The use of these concepts in the current state of the art, however, associated with significant additional costs. These include increased fuel consumption in particulate filter and NO x storage catalyst regeneration processes, additional additives in some particulate filter technologies, reducing agents such as urea in the SCR and the cost of manufacturing the components primarily for precious metals used. Furthermore, the regeneration processes by a necessary increase in the exhaust gas temperature at low engine speed and load are not readily representable, so that arise for vehicles that are operated exclusively in urban transport, here further challenges. For the reasons mentioned above, the focus of the development of the diesel engine combustion process must continue to be on reducing engine emissions within the engine, in order to avoid or simplify exhaust gas aftertreatment concepts as much as possible. An advantageous development of the invention provides that the injection nozzle is inclined with respect to the piston longitudinal axis by about 10 to 25 °. The cylinder bore is in a range of 90 mm to 115 mm.
Der mit D1 bezeichnete Muldendurchmesser des Kolbens liegt in einem Bereich von 70 bis 95 mm. Der Kolbenmuldenplateaumittendurchmesser D2 im höchsten Bereich des Kolbenmuldenbodens umfasst einen Bereich von 0 bis 10 mm. Der Kolbenmuldenradius R1 im tiefsten Bereich des Kolbenmuldenbodens liegt in einem Bereich von 5 bis 15 mm. Der Kolbenmuldenradius R2 liegt in einem Bereich von 0 bis 2 mm. Der Kolbenmuldenwinkel alpha1 bewegt sich in einem Bereich von 0 bis 50°. Der Kolbenmuldenwinkel alpha2 liegt in einem Bereich von 131 bis 160°. Der Einspritzdüsenabstrahlwinkel Gamma liegt in einem Bereich von 110 bis 130°. Der Drall nach der Methode Tippelmann liegt in einem Bereich von DTi = 0,3 bis DTi = 0,4.The bowl diameter of the piston indicated by D1 is in a range of 70 to 95 mm. The piston bowl plate diameter D2 in the highest area of the piston bowl bottom comprises a range of 0 to 10 mm. The piston bowl radius R1 in the deepest region of the piston bowl bottom is in a range of 5 to 15 mm. The piston cavity radius R2 is in a range of 0 to 2 mm. The piston bowl angle alpha1 moves in a range of 0 to 50 °. The piston bowl angle alpha2 is in a range of 131 to 160 °. The injection nozzle gamma angle is in a range of 110 to 130 °. The twist according to the method Tippelmann lies in a range of D Ti = 0.3 to D Ti = 0.4.
Die mit T1 bezeichnete Muldentiefe liegt im Bereich von 5 bis 20 mm. Der mit T2 bezeichnete Abstand des Kolben
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren näher erläutert, es zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment in the figures, it shows:
In
Der mit D1 bezeichnete Muldendurchmesser des Kolben
Die mit T1 bezeichnete Muldentiefe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19707873 A1 [0002] DE 19707873 A1 [0002]
- DE 2729050 A1 [0003] DE 2729050 A1 [0003]
- EP 1045136 A1 [0004] EP 1045136 A1 [0004]
- EP 2003303 B1 [0005] EP 2003303 B1 [0005]
Claims (10)
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