DE102018207286A1 - Method and device for processing a fuel-air mixture - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei dem während eines Einspritzzeitfensters eine bestimmte Menge von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff in Form wenigstens eines Kraftstoffstrahls (1) mittels eines Injektors (10) durch eine Einspritzöffnung (2) in den Brennraum eingespritzt wird, wobei sich der Kraftstoffstrahl (1) in einem Fußpunkt (FP), der einen Abstand (a, A) zur Einspritzöffnung (2) aufweist, zu einer Flamme (7) entzündet. The invention relates to a method for treating a fuel-air mixture in the combustion chamber, in particular a self-igniting internal combustion engine, during which a certain amount of fuel under high pressure in the form of at least one fuel jet (1) by means of an injector (10) during an injection time window Injection opening (2) is injected into the combustion chamber, wherein the fuel jet (1) in a base point (FP) having a distance (a, A) to the injection port (2), ignited to a flame (7).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for the preparation of a fuel-air mixture in the combustion chamber, in particular a self-igniting internal combustion engine having the features of the preamble of
Bei einem allgemein bekannten Verfahren zur Aufbereitung eines Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 wird während eines definierten Einspritzzeitfensters mittels eines Kraftstoffinjektors über eine Einspritzöffnung des Kraftstofinjektors eine bestimmte Menge von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in Form eines Kraftstoffstrahls in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Durch den in dem Brennraum durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens herrschenden Druck sowie der Temperatur des im Brennraum befindlichen Brennraumgases entzündet sich dabei der Kraftstoffstrahl. Die Flammbildung des Kraftstoffstrahls erfolgt dabei ab einem bestimmten Abstand von der Einspritzöffnung, der auch als Fußpunkt der Flamme bezeichnet wird, sobald die zur Entzündung bzw. Verbrennung erfolderlichen Temperaturen bzw. Drücke erreicht sind.In a generally known method for the preparation of a fuel / air mixture in the combustion chamber, in particular a self-igniting internal combustion engine according to the features of the preamble of
Bei heute üblichen Brennverfahren in selbstzündenden Brennkraftmaschinen erfolgt die Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch den Zündverzug so früh, dass der örtliche Wert des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses (Lambda-Wert) auf Höhe des Fußpunktes der Flamme so gering ist, dass eine rußende Verbrennung resultiert. Dabei hat es sich herausgestellt, dass eine rußende Verbrennung dann vermieden werden kann, wenn am Fußpunkt der Flamme der Lambda-Wert mehr als 0,5 beträgt. Der Zündverzug ist dabei abhängig von der Temperatur, der Kraftstoffzusammensetzung (d.h. von der Kraftstoffchemie) und der Konzentration des Sauerstoffs im umgebenden Gas im Brennraum. Mit zunehmender Temperatur sinkt dabei der Zündverzug näherungsweise quadratisch, d.h., je heißer die Umgebung, desto früher beginnt die Entflammung bzw. desto geringer ist der Abstand des Fußpunkts von der Einspritzöffnung am Kraftstoffinjektor. Bei den heute üblichen Temperaturbedingungen und Kraftstoffqualitäten ist der Zündverzug bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen so früh, dass ein Lambda-Wert von mehr als 0,5 am Fußpunkt der Flamme nicht oder nur sehr eingeschränkt erreicht werden kann.In today usual combustion in auto-ignition internal combustion engines, the ignition of the fuel-air mixture takes place by the ignition delay so early that the local value of the fuel-air ratio (lambda value) at the base of the flame is so low that a sooting Combustion results. It has been found that sooting combustion can be avoided if at the base of the flame, the lambda value is more than 0.5. The ignition delay depends on the temperature, the fuel composition (i.e., the fuel chemistry), and the concentration of oxygen in the surrounding gas in the combustion chamber. As the temperature increases, the ignition delay decreases approximately quadratically, that is, the hotter the environment, the sooner the ignition begins or the lower the distance of the foot from the injection opening at the fuel injector. In today's usual temperature conditions and fuel qualities of the ignition delay in self-igniting internal combustion engines is so early that a lambda value of more than 0.5 at the base of the flame can not be achieved or only very limited.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Zündverzug verlängert wird und dadurch der Abstand zwischen dem Fußpunkt der Flamme und der Einspritzöffnung so vergrößert wird, dass im Fußpunkt der Flamme ein (Ä-) Lambda-Wert von mehr als 0,5 vorhanden ist. Dadurch erfolgt eine rußarme bzw. rußfreie Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches und somit eine Verbesserung der Abgasqualität. Dies wiederum hat zur Folge, dass durch die Verringerung der Rußemission sich die Rate der Abgasrückführung steigern lässt, welche zur Minderung der Stickoxidbildung eingesetzt wird. Insbesondere liegt der Erfindung die Idee zugrunde, durch eine düsennahe Zumischung von Gas, insbesondere relativ zum Brennraumgas kalter Luft, den angesprochenen Zündverzug zu verlängern.The inventive method for processing a fuel-air mixture in the combustion chamber, in particular a self-igniting internal combustion engine with the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufbereitung und Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen angeführt.Advantageous developments of the method according to the invention for the treatment and combustion of a fuel-air mixture in the combustion chamber, in particular a self-igniting internal combustion engine, are specified in the subclaims.
Insbesondere liegt der Erfindung die Idee zugrunde, als Gas Luft zu verwenden, wobei dadurch, dass die Luft eine geringere Temperatur aufweist als die im Brennraum vorhandene, insbesondere aus dem Ansaugtakt herrührende Luft bzw. das Brennraumgas. Die Verwendung von Luft hat darüber hinaus den Vorteil, dass diese relativ einfach zur Zuführung in den Brennraum zur Verfügung steht, was den vorrichtungstechnischen Aufwand zur Durchführung des Verfahrens reduziert.In particular, the invention is based on the idea of using air as gas, in which the air has a lower temperature than the air or combustion gas present in the combustion chamber, in particular from the intake stroke. The use of air also has the advantage that it is relatively easy for feeding into the combustion chamber available, which reduces the device complexity for performing the method.
Alternativ oder zusätzlich zur Luft kann das Gas auch ein an der Verbrennung nicht teilnehmendes Gas, insbesondere Stickstoff, sein.Alternatively or additionally to the air, the gas may also be a gas which does not participate in the combustion, in particular nitrogen.
Da, wie oben erläutert, ein wesentlicher Aspekt hinsichtlich der erfinderischen Wirkung die lokale Herabkühlung des Kraftstoffes ist, kann es auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zum Gas ein beim Einbringen in den Brennraum verdampfendes Medium, insbesondere Wasser, verwendet wird. Durch das Verdampfen des Mediums entsteht Verdunstungskälte, die zur lokalen Kühlung des Kraftstoffes dient.Since, as explained above, an essential aspect with respect to the inventive effect is the local cooling down of the fuel, it can also be provided that, in addition to the gas, a medium evaporating during introduction into the combustion chamber, in particular water, is used. The evaporation of the medium creates evaporative cooling, which serves for local cooling of the fuel.
Wesentlich für die Durchführung des Verfahrens ist es darüber hinaus, dass neben der zeitlichen Überlappung der Gaseinblasung mit der Kraftstoffeinspritzung das eingeblasene Gas auch in Wirkverbindung mit dem Kraftstoff gelangt. Dabei ergibt sich der Einblasdruck des Gases in den Brennraum aus dem gewünschten Zeitfenster der Einblasung. Dieses sollte mit der Einspritzung des Kraftstoffes überlappen. Damit erfolgt die Gaseinblasung üblicherweise im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens der Brennkraftmaschine, bei dem (bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen) Brennraumdrücke in der Größenordnung von 50 bar bis 100 bar vorherrschen. Der Gasdruck zur Einblasung des Gases muss daher diesen Wert überschreiten.In addition, it is essential for carrying out the method that in addition to the temporal overlap of the gas injection with the fuel injection, the injected gas also comes into operative connection with the fuel. In this case, the injection pressure of the gas into the combustion chamber results from the desired time window of the injection. This should overlap with the injection of the fuel. Thus, the gas injection usually takes place in the region of the top dead center of the piston of the internal combustion engine, in which prevail (in self-igniting internal combustion engines) combustion chamber pressures in the order of 50 bar to 100 bar. The gas pressure for blowing in the gas must therefore exceed this value.
Die Einblasöffnungen für das Gas in den Brennraum können in Achsrichtung des Kraftstoffinjektors gesehen oberhalb, unterhalb oder auch seitlich angeordnet sein. Wesentlich ist lediglich, dass das eingeblasene Gas in Wirkverbindung mit dem Kraftstoffstrahl gelangt, und zwar auf der der Einspritzöffnung zugewandten Seite. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn das Gas in einem Abstand zu dem Kraftstoff in dem Brennraum eingeblasen wird, der geringer als 10 mm, vorzugsweise geringer als 5 mm ist.The injection openings for the gas into the combustion chamber can be arranged above, below or else laterally as viewed in the axial direction of the fuel injector. It is only essential that the injected gas comes into operative connection with the fuel jet, on the side facing the injection opening. For this purpose, it is particularly advantageous if the gas is injected at a distance from the fuel in the combustion chamber, which is less than 10 mm, preferably less than 5 mm.
Ein derartig geringer Abstand lässt sich vorteilhafterweise insbesondere dadurch erzielen, dass als Injektor ein Mehrstoffinjektor verwendet wird, der sowohl zum Einspritzen des Kraftstoffs als auch zum Einblasen des Gases dient.Such a small distance can advantageously be achieved, in particular, by using a multi-component injector as the injector, which serves both for injecting the fuel and for blowing in the gas.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Injektor vorgesehen ist, der wenigstens eine Einspritzöffnung für den Kraftstoff und wenigstens eine, der wenigstens einen Einspritzöffnung zugeordneten und von der Einspritzöffnung beabstandeten Einblasöffnung für Gas aufweist.The invention also relates to an apparatus for carrying out a method according to the invention described so far, wherein an injector is provided which has at least one injection opening for the fuel and at least one gas inlet opening associated with at least one injection opening and spaced from the injection opening.
Bevorzugt ist eine konstruktive Gestaltung der Vorrichtung bzw. des Mehrstoffinjektors derart, dass das Gas parallel oder in Richtung zum Kraftstoffstrahl einblasbar ist. Dadurch gelangt das eingeblasene Gas sicher in Wirkverbindung zum Kraftstoffstrahl und kann diesen kühlen.Preferred is a structural design of the device or the Mehrstoffinjektors such that the gas is injected in parallel or in the direction of the fuel jet. As a result, the injected gas safely reaches the fuel jet in operative connection and can cool it.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.
Diese zeigt in:
-
1 eine schematische Darstellung eines in einem Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffstrahls gemäß dem Stand der Technik, -
2 eine schematische Darstellung eines zusätzlich zu einem Kraftstoffstrahl eingeblasenen Luftstrahls in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und -
3 das brennraumseitige Ende eines Mehrstoffinjektors, der zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, in einem Längsschnitt.
-
1 a schematic representation of a fuel injected in a combustion chamber of a self-igniting internal combustion engine fuel jet according to the prior art, -
2 a schematic representation of a blown in addition to a fuel jet air jet into the combustion chamber of an internal combustion engine in a method according to the invention and -
3 the combustion chamber end of a multi-component injector, which is suitable for carrying out the method according to the invention, in a longitudinal section.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.The same elements or elements with the same function are provided in the figures with the same reference numerals.
In der
Beim Einspritzen in den Brennraum der Brennkraftmaschine entsteht durch das in den Brennraum vorhandene Brennraumgas bzw. die vorverdichtete Luft mit dem darin befindlichen Sauerstoff zusammen mit dem Kraftstoffstrahl
In der
In der
Insbesondere erkennt man ein dem Brennraum zugewandtes Injektorende
In einem radial um die Längsachse
Das soweit beschriebene Verfahren bzw. der Injektor
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |