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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasbrennkraftmaschine mit einer Direkt-Mehrfacheinblasung in einen Brennraum sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine.
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Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Fahrzeuge bekannt, welche mit einem gasförmigen Kraftstoff, z.B. Erdgas, betrieben werden. Hierbei wird bisher eine Niederdruck-Saugrohr-Einblasung vorgenommen. Aufgrund der geringeren Dichte des Brenngases werden hierbei ca. 10,5 Vol.-% der Luft im Saugrohr verdrängt. Dies führt jedoch bei den Gasbrennkraftmaschinen zu Leistungseinbußen sowie zu Drehmomenteinbußen gegenüber vergleichbaren Brennkraftmaschinen mit Benzineinspritzung. Weiterhin führt die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs in das Saugrohr im nachfolgenden Brennraum der Gasbrennkraftmaschine zu einer Gleichverteilung des gasförmigen Kraftstoffs und der angesaugten Luft, so dass die Gasbrennkraftmaschine im Leerlauf und bei Teillast angedrosselt werden muss. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Gasbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die im Stand der Technik vorhandenen Füllverluste bei Saugrohreinblasung vermieden werden können, da der gasförmige Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Gasbrennkraftmaschine eingeblasen wird. Weiterhin kann erfindungsgemäß statt einer homogenen Gemischbildung wie im Stand der Technik ein Schichtbrennverfahren ermöglicht werden. Hierbei ergeben sich thermodynamische Vorteile eines Schichtbrennverfahrens in Verbindung mit einer Verwendung eines gasförmigen Kraftstoffs. Darüber hinaus ist ein extrem magerer Betrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 3 möglich. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Gasbrennkraftmaschine neben dem Brennraum und einem Kolben sowie einer Zündeinrichtung wenigstens einen Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum umfasst. Der Gasinjektor ist somit direkt am Brennraum angeordnet, um den gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum einzublasen. Ferner ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche eingerichtet ist, den gasförmigen Kraftstoff bei einem Einblaszyklus mehrfach einzublasen. Somit stellt die Steuereinheit sicher, dass bei einem Takt der Gasbrennkraftmaschine mehrfach eingeblasen wird, um ein insbesondere strahlgeführtes Schichtbrennverfahren zu ermöglichen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt ist die Zündeinrichtung eingerichtet, den gasförmigen Kraftstoff schon vor einer Beendigung der Einblasung innerhalb eines Taktes zu entzünden. Mit anderen Worten wird der gasförmige Kraftstoff nicht erst dann entzündet, wenn die vollständige Kraftstoffmenge je Takt in den Brennraum eingeblasen wird, sondern schon zu einem früheren Zeitpunkt. Besonders bevorzugt wird der gasförmige Kraftstoff bei einer Mehrfacheinblasung innerhalb eines Taktes schon bei der ersten Einblasung entzündet. Hierdurch kann ein strahlgeführtes Schichtbrennverfahren realisiert werden, wobei ein Effizienzvorteil von bis zu 20% im Vergleich mit einer homogenstöchiometrischen Verbrennung erreicht wird.
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Weiter bevorzugt ist die Zündeinrichtung mittig am Brennraum in einer Hochachse des Kolbens angeordnet, so dass durch das mehrfache Einblasen eine Verteilung des brennbaren Gemisches zentral im Brennraum erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolben an einer zum Brennraum gerichteten Seite eine Kolbenmulde auf. Hierdurch kann eine Führung des eingeblasenen gasförmigen Kraftstoffs im Brennraum ermöglicht werden. Insbesondere wird die Herstellung eines zündförmigen Gemischs durch eine Wandinteraktion infolge der Einblasung in die Kolbenmulde erreicht. Ferner verhindert die Kolbenmulde einen CH-Eintrag in einen Feuersteg, d.h., einen Bereich zwischen einem Zylinder und dem Kolben. Die Einblasung in die Kolbenmulde ermöglicht ferner eine Senkung von HC-Emissionen.
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Besonders bevorzugt umfasst ein Takt vier oder fünf Einblasungen. Hierdurch kann ferner auch ein erweitertes Zündfenster, d.h., ein Zeitraum, in welchem ein zündfähiges Gemisch im Brennraum an der Zündkerze vorhanden ist, vergrößert werden. Im Vergleich mit dem Stand der Technik kann dadurch beispielsweise das Vorhandensein des zündfähigen Gemischs an der Zündkerze von einem Kurbelwinkelbereich von 2° auf einen Kurbelwinkelbereich von 5° erweitert werden.
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Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, einen Druck des einzublasenden gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere mittels eines Kompressors, über einen vorbestimmten Schwellenwert zu halten. Der Schwellenwert ist vorzugsweise größer oder gleich 50 × 105 Pa. Durch diesen hohen Systemdruck des gasförmigen Kraftstoffs kann ein mageres strahlgeführtes Schichtbrennverfahren zusätzlich unterstützt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Gasbrennkraftmaschine ferner eine Drallerzeugungseinrichtung, welche einen Drall auf Gase im Brennraum erzeugt. Die Drallerzeugungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, einen ersten Drall auf den eingeblasenen gasförmigen Kraftstoff aufzuprägen und/oder einen zweiten Drall auf die angesaugte Luft in der Brennkammer aufzuprägen. Die drallförmige Bewegung innerhalb des Brennraums verbessert dabei eine Gemischbildung zwischen gasförmigem Kraftstoff und Luft und ermöglicht dadurch, eine Effizienz der Gasbrennkraftmaschine weiter zu steigern und insbesondere auch Emissionen weiter zu senken, da eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erreicht wird.
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Die Drallerzeugungseinrichtung erzeugt vorzugsweise einen um eine Hochachse des Kolbens drehende Bewegung der Gase im Brennraum. Diese Drallbewegung bleibt dabei im und nach Erreichen des oberen Totpunkts erhalten und sorgt so für eine verbesserte Gemischbildung von Frischluft und Kraftstoff. Somit kann auch eine schnellere Verbrennung und insbesondere eine Annäherung einen Gleichraumprozess, ermöglicht werden, was einen weiter erhöhten Wirkungsgrad zur Folge hat.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine. Hierbei wird der gasförmige Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Gasbrennkraftmaschine eingeblasen. Pro Takt der Einblasung der Brennkraftmaschine erfolgt hierbei eine mehrfache Gaseinblasung, um einen Verlauf der Verbrennung im Brennraum gezielt zu steuern. Hierdurch können die schon vorstehend genannten Vorteile erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter bevorzugt derart ausgeführt, dass der eingeblasene Kraftstoff schon zu Beginn der Einblasung entflammt wird. Insbesondere wird schon eine Entflammung bei der ersten Einblasung des Taktes ausgeführt. Hierdurch können die durch die Schichtbrennverfahren möglichen Vorteile erhalten werden.
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Weiter bevorzugt wird der eingeblasene Kraftstoff mittels einer diffusionsgesteuerten Verbrennung umgesetzt. Dadurch können Vorteile hinsichtlich der erzeugten Emissionen erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter bevorzugt derart ausgeführt, dass dem eingeblasenen gasförmigen Kraftstoff und/oder der angesaugten Luft bei Einleitung in den Brennraum ein Drall aufgeprägt wird. Hierdurch wird eine drallförmige Ladungsbewegung im Brennraum erreicht, wodurch eine Erweiterung des Zündfensters und somit ein stabilerer Motorlauf und auch eine Wirkungsgradsteigerung ermöglicht wird. Vorzugsweise ist ein Einblasdruck des gasförmigen Kraftstoffs größer oder gleich 50 × 105 Pa, insbesondere größer 60 × 105 Pa.
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Die vorliegende Erfindung wird besonders bevorzugt bei Gasbrennkraftmaschinen für Fahrzeuge verwendet.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer Gasbrennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 ein Diagramm des Zylinderdrucks über dem Kurbelwinkel,
- 3 eine schematische Ansicht einer Gasbrennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Draufsicht auf einen Brennraum der Gasbrennkraftmaschine von 3,
- 5 ein Diagramm, welches einen zündförmigen Bereich λ über dem Kurbelwinkel zeigt,
- 6 ein Diagramm, welches eine Intensität I eines Flammeneigenleuchtens über dem Kurbelwinkel zeigt, und
- 7 ein Diagramm, welches eine Flächenausbreitung A der Flamme im Brennraum über dem Kurbelwinkel zeigt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Gasbrennkraftmaschine 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gasbrennkraftmaschine 1 eine Brennkammer 2, in welcher ein Kolben 3 angeordnet ist. Die Brennkammer 2 wird in bekannter Weise durch einen Zylinder 31 und einen Zylinderkopf 32 definiert. Im Kolben 3 ist eine Kolbenmulde 30 an einer Stirnseite, d.h., der Seite, welche zum Brennraum 2 gerichtet ist, vorgesehen.
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Ferner umfasst die Gasbrennkraftmaschine 1 einen Gasinjektor 4 und eine Zündeinrichtung 5. Der Gasinjektor 4 ist unmittelbar am Brennraum 2 angeordnet. Dadurch bläst der Gasinjektor 4 gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum 2 ein, was in 1 durch den Gasfreistrahl 40, senkrecht zur Kolbenstirnseite, angedeutet ist. Die Zündeinrichtung 5 ist benachbart zum Gasinjektor 4 angeordnet.
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Der gasförmige Kraftstoff ist in einem Tank 6 gelagert und eine Leitung 7 verbindet den Tank 6 mit dem Gasinjektor 4.
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In der Leitung 7 ist eine Druckregeleinrichtung 8 in Form eines ansteuerbaren Ventils angeordnet. Hierdurch kann ein Druck des gasförmigen Kraftstoffs im Bereich vor dem Gasinjektor 4 geregelt werden. Ferner ist ein Kompressor 17 zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckniveaus in der Leitung 7 angeordnet.
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Die Gasbrennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Steuereinheit 10, welche eingerichtet ist, den Gasinjektor 4 anzusteuern. Dabei ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass der gasförmige Kraftstoff bei einem Einblastakt der Gasbrennkraftmaschine mehrfach eingeblasen wird. Wie im Diagramm von 2 gezeigt, welches einen Druck P im Brennraum über dem Kurbelwinkel K zeigt, erfolgen bei diesem Ausführungsbeispiel vier Einblasungen E1, E2, E3 und E4 in kurzen Abständen nacheinander. In 2 ist hierbei in durchgezogener Linie L1 die erfindungsgemäße Einblasung dargestellt. Zum Vergleich sind zwei Linien L2 und L3 von Zylinderdruckverläufen von im Saugrohr vorgemischten Verbrennungsvorgängen eingezeichnet. Wie aus 2 deutlich wird, kann durch die direkte Mehrfacheinblasung der Erfindung ein Zylinderdruckverlauf mit deutlich geringerem maximalen Druck (in diesem Beispiel ungefähr 65 × 105 Pa) im Vergleich mit den Druckspitzen bei L2 (85 × 105 Pa) und L1 (80 × 105 Pa) erhalten werden. Somit kann eine diffusionsgesteuerte Verbrennung durch Mehrfacheinblasung direkt in den Brennraum mittels eines einzigen Gasinjektors 4 erreicht werden.
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Durch Vermeidung der sehr hohen Zylinderspitzendrücke können insbesondere NOx-Emissionen reduziert werden. Durch die erfindungsgemäß gezielt vorgenommene Mehrfacheinblasung können die kritischen hohen Spitzendrücke vermieden werden und entsprechend die NOx-Emissionen deutlich gesenkt werden. Hierdurch ist es möglich, dass ein Abgas-Nachbehandlungsaufwand der Abgase der Gasbrennkraftmaschine deutlich reduziert werden kann.
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Weiterhin ermöglicht die Direkteinblasung in den Brennraum 2, dass die im Stand der Technik vorhandenen Füllverluste bei Saugrohreinblasung vermieden werden können. Weiter bevorzugt erfolgt auch eine Zündung eines zündfähigen Gemischs 41, welches schematisch in 1 angedeutet ist, unmittelbar schon während der ersten Einblasung E1, so dass ein extrem magerer Schichtbetrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ > 3 möglich ist. Dies wird zusätzlich durch die Kolbenmulde 30 im Kolben 3 unterstützt. Die Kolbenmulde 30 stellt dabei sicher, dass frühzeitig ein zündfähiges Gemisch 41 an der Zündeinrichtung 5 vorliegt.
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In 1 ist schematisch nur ein Gasfreistrahl 40 eingezeichnet. Es sei jedoch angemerkt, dass es auch möglich ist, dass mehrere Gasstrahlen gleichzeitig erzeugt und eingeblasen werden, welche eine zusammenhängende Gemischzone ergeben. Hierdurch kann die Gasgemischbildung optimal an die Brennraumgeometrie angepasst werden.
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In 1 sind ferner schematisch ein Einlassventil 11 mit entsprechendem Saugrohr und ein Auslassventil 12 mit entsprechendem Abgasrohr angedeutet.
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Wie weiter in 1 ersichtlich ist, ist der Gasinjektor 4 zentral am Brennraum 2 in einer Hochachse X-X des Kolbens angeordnet. Auch diese Anordnung wirkt sich positiv auf einen Wirkungsgrad der Gasbrennkraftmaschine sowie die Emissionen aus.
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Der gasförmige Kraftstoff ist im Tank 6 unter einem hohen Druck gelagert. Üblicherweise liegt der Druck an Tankstellen bei ca. 250 × 105 Pa. Der Druck für die Mehrfacheinblasung sollte dabei möglichst größer oder gleich 50 × 105 Pa sein. Um den Tank hierbei möglichst vollständig leeren zu können, ist vorzugsweise der Kompressor 17 oder dgl. zur Druckerhöhung des Drucks des gasförmigen Brennstoffs in der Leitung 7 angeordnet. Somit kann auch bei einem geringen Druckniveau im Tank 6 die Mehrfacheinblasung und die Schichtbrennverfahren ausgeführt werden.
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Somit kann mittels der in 1 gezeigten Gasbrennkraftmaschine auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Gasbrennkraftmaschine 1 mit mehrfach Einblasung pro Takt ausgeführt werden.
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Die 3 bis 7 zeigen eine Gasbrennkraftmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist beim zweiten Ausführungsbeispiel der Kolben 3 keine Kolbenmulde auf. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Gasbrennkraftmaschine des zweiten Ausführungsbeispiels dabei eine Drallerzeugungseinrichtung auf. Die Drallerzeugungseinrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels ist dabei ein Einblasloch am Gasinjektor 4, welches in einem Winkel zur Hochachse X-X des Kolbens angeordnet ist. Dadurch ergibt sich im Brennraum 2 ein erster Drall 14 auf den gasförmigen Kraftstoff, welcher eine schnelle bereichsweise Vermischung des gasförmigen Kraftstoffs mit Verbrennungsluft ermöglicht, so dass unmittelbar nach Beginn der Einblasung ein zündfähiges Gemisch 41 im Bereich der Zündeinrichtung 5 gebildet wird. Dadurch kann ein Schichtbrennverfahren sicher durchgeführt werden.
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In 4, welches eine Draufsicht auf den Brennraum 2 zeigt, wird zusätzlich noch ein zweiter Drall 15 durch die geometrische Ausbildung des Einlassventils bzw. der Saugrohrleitung erzeugt. Somit kann die Wirkung durch Erzeugung eines ersten Dralls 14 durch die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs und ein zweiter Drall 15 durch das Ansaugen der Verbrennungsluft erreicht werden. Der zweite Drall 15 unterstützt zusätzlich die schnelle Bildung eines zündfähigen Gemischs 41.
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In den Diagrammen in den 5 und 7 sind nochmals Vorteile durch die Drallerzeugung im Brennraum in Verbindung mit einer mehrfachen Direkteinblasung pro Einblastakt dargestellt. 5 zeigt ein Verbrennungsluftverhältnis λ (Verhältnis von Verbrennungsluft zu gasförmigem Kraftstoff) über dem Kurbelwinkel K in °KW für eine erste Linie L1 mit Drallerzeugung und eine zweite Linie L2 ohne Drallerzeugung. Wie aus 5 ersichtlich ist, ergibt sich hierbei mit der drallförmigen Ladungsbewegung im Brennraum ein zündfähiges Gemisch in einem Bereich A über einen Kurbelwinkel von 5°KW. Im Vergleich dazu ergibt sich ohne die drallförmige Ladungsbewegung im Bereich B nur ein Kurbelwinkel von 2°KW eines zündfähigen Gemischs.
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6 zeigt eine Flammenintensität I einer Flamme im Brennraum bei einer Drallerzeugung (Linie L1) und ohne Drallerzeugung (Linie L2) über dem Kurbelwinkel K. Wie unmittelbar aus einem Vergleich der beiden Kurven L1 und L2 in 6 ersichtlich ist, ergibt sich durch die Drallerzeugung eine deutlich größere Flammenintensität in Lux über einem größeren Kurbelwinkelbereich als ohne Drallerzeugung (Linie L2). Mit anderen Worten brennt die Flamme bei Drallerzeugung deutlich heller und über einen größeren Kurbelwinkelbereich als ohne Drallerzeugung.
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7 zeigt eine Ausbreitung der Flamme im Brennraum im Vergleich mit drallförmiger Ladungsbewegung (Linie L1) und ohne drallförmige Ladungsbewegung (Linie L2) über dem Kurbelwinkel K. Eine Fläche A der Flammenausbreitung im Brennraum ist, wie insbesondere durch Vergleich der Kurven L1 und L2 deutlich, insbesondere nach Erreichen des oberen Totpunkts bei der drallförmigen Ladungsbewegung deutlich größer als ohne drallförmige Ladungsbewegung. Somit wird deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Idee eine verbesserte Verbrennung und insbesondere weniger unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas erhalten werden.
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Somit kann erfindungsgemäß eine Gasbrennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine angegeben werden, bei dem durch eine Mehrfacheinblasung pro Einblastakt ein deutlich besseres Brennverhalten für den gasförmigen Kraftstoff erreicht wird.
