DE102018219423A1 - Verbrennungsmotor mit Einspritzsteuervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Verbrennungsmotor (2) hat wenigstens einen Verbrennungsraum (22); eine mechanische Einspritzsteuervorrichtung (10), die ausgebildet ist, das Einspritzen von Kraftstoff in den wenigstens einen Verbrennungsraum (22) zu steuern; einen Abgasstrang (6), zum Abführen von in dem wenigstens einen Verbrennungsraum (22) erzeugten Abgasen; einen in dem Abgasstrang (6) angeordneten Partikelfilter (8); und einen stromaufwärts des Partikelfilters (8) an dem Abgasstrang (6) angeordneten mechanischen Drucksensor (12). Der Drucksensor (12) ist mechanisch derart mit der Einspritzsteuervorrichtung (10) gekoppelt, dass eine Veränderung Drucks der Abgase im Abgasstrang (6) stromaufwärts des Partikelfilters (8) zu einer Veränderung der maximal in den Verbrennungsraum (22) eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder zu einer Verschiebung des Einspritzzeitpunkts führt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Partikelfilter und einer mechanischen Einspritzsteuervorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Um immer strengere Emissionsanforderungen (Abgasgrenzwerte) zu erfüllen, müssen Verbrennungsmotoren mit einer Abgasnachbehandlung ausgestattet sein. Um die Partikelemissionen von Verbrennungsmotoren zu begrenzen, kommen insbesondere in den Abgassträngen von Dieselmotoren Dieselpartikelfilter (DPF) zum Einsatz. Dabei besteht die Gefahr, dass sich der Abgasgegendruck aufgrund einer hohen Beladung des DPF mit Rußpartikeln zu stark erhöht. Ein überhöhter Abgasgegendruck kann eine verminderte Motorleistung und/oder Schäden am DPF zur Folge haben.
  • Es besteht daher der Bedarf nach einer kostengünstigen Lösung dieses Problems.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Brennraum; einer mechanischen Einspritzsteuervorrichtung, die ausgebildet ist, das Einspritzen von Kraftstoff in den wenigstens einen Verbrennungsraum zu steuern; einem Abgasstrang zum Abführen der in dem wenigstens einen Verbrennungsraum erzeugten Abgase; einem in dem Abgasstrang angeordneten Partikelfilter; und einem stromaufwärts des Partikelfilters an dem Abgasstrang angeordneten mechanischen Drucksensor.
  • Der Drucksensor ist mechanisch derart mit der Einspritzsteuervorrichtung gekoppelt, dass eine Veränderung Drucks der Abgase im Abgasstrang stromaufwärts des Partikelfilters zu einer Veränderung der maximal in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder zu einer Verschiebung des Zeitpunkts, zu dem Kraftstoff in den wenigsten einen Verbrennungsraum eingespritzt wird (Einspritzzeitpunkt), führt.
  • Im Normalbetrieb, d.h. bei nicht überhöhtem Abgasdruck, findet kein Eingriff durch den Drucksensor statt, und es kann die volle Einspritzmenge zu einem vorgegebenen Einspritzzeitpunkt in den Verbrennungsraum eingespritzt werden.
  • Der Verbrennungsmotor ist so abgestimmt, dass ein Ruß zu NOx-Verhältnis vorliegt, welches den sogenannten CRT-Effekt (CRT = „Continuously Regeneration Trap“) ermöglicht. Durch den CRT-Effekt wird Ruß (Kohlenstoff), der sich im DPF angesammelt hat, durch den Sauerstoff des in den Abgasen enthaltenen Stickstoffdioxids (NO2) zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert. Im Idealfall stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Rußeinlagerung in den Partikelfilter und dem Rußabbau durch den CRT-Effekt ein. Kommt es aufgrund veränderter Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors zu einer Erhöhung der Rußemission, verringert sich der CRT-Effekt und die Rußeinlagerung im DPF steigt an. Damit steigt auch der Abgasgegendruck vor dem DPF.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Anstieg des Abgasgegenrucks von dem mechanischen Sensor erkannt und die in den Verbrennungsmotor eingespritzte Kraftstoffmenge verringert. Die verringerte Kraftstoffmenge führt zu einer Verringerung der Rußemission und zu einem Anstieg der Stickoxide (NOx) in den Abgasen. Dies hat zur Folge, dass der CRT-Effekt wieder anspringt und überschüssiger Ruß im DPF abgebaut wird, wodurch, das System in den gewünschten Ausgangszustand zurückkehrt.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Verringerung der Einspritzmenge kann bei ansteigendem Abgasgegendruck der Einspritzzeitpunkt verschoben werden. Eine Verschiebung des Einspritzzeitpunkts „nach vorne“, d.h. ein früherer Einspritzzeitpunkt, hat ebenfalls eine Verringerung der Rußemission und einen Anstieg der Stickoxide (NOx) in den Abgasen zu Folge. Dadurch springt auch in diesem Fall der CRT-Effekt wieder an, überschüssiger Ruß im DPF wird abgebaut, und das System kehrt in seinen Ausgangszustand zurück.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung, d.h. das Einstellen der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und des Einspritzeitpunkts rein mechanisch. Insbesondere wirkt der am Abgasstrang angebrachte Drucksensor rein mechanisch auf eine mechanische Einspritzsteuervorrichtung ein.
  • Auf diese Weise kann ohne den Einsatz einer elektronischen Motorsteuerung eine effiziente und dauerhafte Abgasreinigung realisiert werden. Da die Kosten für eine elektronischen Motorsteuerung eingespart werden können, können die Kosten für die Abgasreinigung gegenüber einer elektronischen Lösung deutlich reduziert werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Einspritzsteuervorrichtung so ausgebildet, dass ein Ansteigen des Drucks der Abgase im Abgasstrang eine Verringerung der maximal in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraftstoffmenge zur Folge hat, um die Rußpartikel zur reduzieren und den NOx-Anteil in den Abgasen zu erhöhen.
  • In einer Ausführungsform wird die maximal in den Verbrennungsraum eingespritzte Kraftstoffmenge im Normalbetrieb nicht durch den Drucksensor begrenzt, so dass der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb mit maximaler Kraftstoffzufuhr und somit mit maximaler Leistung betreibbar ist.
  • Alternativ kann der Verbrennungsmotor mit einer umgebungsdruckabhängigen Begrenzung der maximal in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraftstoffmenge ausgestattet sein. Eine solche, vom Umgebungsdruck abhängige, Begrenzung der Kraftstoffmenge ist ausgebildet, die maximale Einspritzmenge (Volllastmenge) bei niedrigen Umgebungsdruck, wie er beispielsweise in großer Höhe herrscht, zu begrenzen. In diesem Fall kann eine erfindungsgemäße Begrenzung der maximal in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraftstoffmenge als Funktion des Abgasdrucks im Abgasstrang in eine solche umgebungsdruckabhängigen Begrenzung der eingespritzten Kraftstoffmenge integriert sein, um die Kosten der Motorsteuerung noch weiter zu reduzieren.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Einspritzsteuervorrichtung so ausgebildet sein, dass eine Erhöhung des Drucks der Abgase im Abgasstrang einen früheren Einspritzzeitpunkt zur Folge hat. Auch durch einen früheren Einspritzzeitpunkt kann der Anteil an Rußpartikeln in den Abgasen reduziert und der Anteil an Stickoxiden (NOx) erhöht werden, um die Partikelbelastung des DPF mit Hilfe des CRT-Effektes zu verringern.
  • In einer Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor durch eine Einspritzpumpe, die Fördernocken aufweist, mit Kraftstoff versorgt. Der Einspritzzeitpunkt kann in diesem Fall kostengünstig durch mechanisches Verstellen der Fördernocken in der Einspritzpumpe verändert werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Drucksensor eine bewegliche und/oder elastische Membran, insbesondere eine federbelastete Membran, die mechanisch mit der Einspritzsteuervorrichtung gekoppelt ist. Auf diese Weise kann ein kostengünstiger und zuverlässiger Drucksensor zur Verfügung gestellt werden.
  • In einer Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor, insbesondere ein Saugdieselmotor. Auf diese Weise kann ein kostengünstiger Dieselmotor mit einer geringen Partikelemission bereitgestellt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch ein Kraftfahrzeug, das mit einem Verbrennungsmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist. Auf diese Weise kann ein kostengünstiges Kraftfahrzeug mit einer geringen Partikelemission bereitgestellt werden. Kraftfahrzeuge, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen umfassen Personenkraftwagen (PKW) und Lastkraftwagen (LKW). Die Erfindung kann insbesondere auch in motorisierten Rikschas zum Einsatz kommen, wie sie in Entwicklungs- und Schwellenländern verbreitet sind.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen Arbeitsmaschinen, insbesondere stationäre Arbeitsmaschinen, die mit einem Verbrennungsmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet sind. Auf diese Weise können kostengünstige Arbeitsmaschinen mit einer geringen Partikelemission bereitgestellt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das mit einem Verbrennungsmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist.
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Arbeitsgeräts, das mit einem Verbrennungsmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1, das mit einem Verbrennungsmotor 2, insbesondere einem Dieselmotor 2, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist.
  • Der Verbrennungsmotor 2 hat wenigstens einen Verbrennungsraum 22 und eine Luftzufuhr 4, die ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor 2 die für die Verbrennung benötige Frischluft zuzuführen. In der Luftzufuhr 4 kann ein (in der 1 nicht gezeigter) Turbolader oder Kompressor vorgesehen sein. Alternativ kann es sich bei dem Verbrennungsmotor 2 um einen Saugmotor handeln, bei dem in der Luftzufuhr 4 kein Turbolader oder Kompressor vorgesehen ist.
  • Der Verbrennungsmotor 2 verfügt darüber hinaus über eine Kraftstoffzufuhr 11, insbesondere über eine Einspritzpumpe 11, die ausgebildet ist, dem Verbrennungsraum 22 den für die Verbrennung benötigen Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff zuzuführen.
  • Der Verbrennungsmotor 2 hat auch einen Abgasstrang 6, der zum Abführen der bei der Verbrennung entstehenden Abgase ausgebildet ist. In dem Abgasstrang 6 ist ein (Diesel-)Partikelfilter (DPF) 8 angeordnet, der ausgebildet ist, die bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor 2 entstehende (Ruß-)Partikel aus den Abgasen zu filtern.
  • Stromaufwärts des Partikelfilters 8, d.h. zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Partikelfilter 8 ist an dem Abgasstrang 6 ein mechanischer Drucksensor 12 angeordnet, der ausgebildet ist, den Abgasdruck im Abgasstrang 6 zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Partikelfilter 8 zu detektieren.
  • Dazu umfasst der Drucksensor 12 eine Membran 16, die von einem elastischen Element 18, beispielsweise einer Feder 18, elastisch abgestützt ist. Die Membran 16 begrenzt einen Arbeitsraum (Druckraum) 20, der in Fluidverbindung mit dem Abgasstrang 6 steht. Veränderungen des Abgasdrucks im Abgasstrang 6 bewirken daher entsprechende Veränderungen des Drucks im Arbeitsraum 20. Veränderungen des Drucks im Arbeitsraum 20 haben eine Bewegung der elastisch gelagerten Membran 16 zur Folge.
  • Die Membran 18 ist über eine mechanische Kopplung 14 mit einer mechanischen Einspritzsteuervorrichtung 10 gekoppelt. Die Einspritzsteuervorrichtung 10 ist ausgebildet, die Einspritzpumpe 11 so anzusteuern, dass zu den gewünschten Zeitpunkten die gewünschten Kraftstoffmengen in den wenigstens einen Verbrennungsraum 22 des Verbrennungsmotors 2 eingespritzt werden.
  • Die mechanische Kopplung 14 der Einspritzsteuervorrichtung 10 mit dem Drucksensor 12 ermöglicht es der Einspritzsteuervorrichtung 10, sowohl die Einspritzmenge als auch den Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von dem Abgasdruck im Abgasstrang 6, wie er von dem Drucksensor 12 gemessenen worden ist, zu verändern, um die Bildung von Rußpartikeln bei der Verbrennung zu reduzieren und/oder den Stickoxid-Anteil in den Abgasen zu erhöhen.
  • Dazu kann die Einspritzsteuervorrichtung 10 die in den Verbrennungsraum 22 eingespritzte Kraftstoffmenge reduzieren und/oder den Einspritzzeitpunkt nach vorne verschieben, wie es zuvor beschrieben worden ist. Der Einspritzzeitpunkt kann dabei insbesondere durch mechanisches Verstellen von Fördernocken 24 der Einspritzpumpe 11 verschoben werden.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind sowohl der Drucksensor 12 als auch die Einspritzsteuervorrichtung 10 rein mechanisch, d.h. ohne eine elektronische Steuerung, ausgebildet. Eine Abgasreinigung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann daher sehr kostengünstig realisiert werden.
  • Ein Verbrennungsmotor 2 mit einer erfindungsgemäßen Abgasreinigung kann auch in einem stationären („off-highway“) Arbeitsgerät 26 zum Einsatz kommen, wie es in der 2 gezeigt ist.

Claims (10)

  1. Verbrennungsmotor (2) mit: wenigstens einem Verbrennungsraum (22); einer mechanischen Einspritzsteuervorrichtung (10), die ausgebildet ist, das Einspritzen von Kraftstoff in den wenigstens einen Verbrennungsraum (22) zu steuern; einem Abgasstrang (6), zum Abführen von in dem wenigstens einen Verbrennungsraum (22) erzeugten Abgasen; einem in dem Abgasstrang (6) angeordneten Partikelfilter (8); und einem stromaufwärts des Partikelfilters (8) an dem Abgasstrang (6) angeordneten mechanischen Drucksensor (12); wobei der Drucksensor (12) mechanisch derart mit der Einspritzsteuervorrichtung (10) gekoppelt ist, dass eine Veränderung des Drucks der Abgase im Abgasstrang (6) stromaufwärts des Partikelfilters (8) zu einer Veränderung der maximal in den Verbrennungsraum (22) eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder zu einer Verschiebung des Zeitpunkts, zu dem Kraftstoff in den wenigsten einen Verbrennungsraum (22) eingespritzt wird, führt.
  2. Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 1, wobei die Einspritzsteuervorrichtung (10) so ausgebildet ist, dass eine Erhöhung des Drucks der Abgase im Abgasstrang (6) eine Verringerung der maximal in den Verbrennungsraum (22) eingespritzten Kraftstoffmenge zur Folge hat.
  3. Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 2, wobei die maximal in den Verbrennungsraum (22) eingespritzten Kraftstoffmenge im Normalbetrieb nicht durch den Drucksensor (12) begrenzt ist.
  4. Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 2 mit einer umgebungsdruckabhängigen Begrenzung der maximal in den Verbrennungsraum (22) eingespritzten Kraftstoffmenge, wobei die Begrenzung der maximal in den Verbrennungsraum (22) eingespritzten Kraftstoffmenge als Funktion des Abgasdrucks im Abgasstrang (6) in die umgebungsdruckabhängige Begrenzung der eingespritzten Kraftstoffmenge integriert ist.
  5. Verbrennungsmotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einspritzsteuervorrichtung (10) so ausgebildet ist, dass eine Erhöhung des Drucks der Abgase im Abgasstrang (6) einen früheren Einspritzzeitpunkt zur Folge hat.
  6. Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 5 mit einer Einspritzpumpe (11), die ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor (2) mit Kraftstoff zu versorgen, wobei eine Veränderung des Drucks der Abgase im Abgasstrang (6) eine Verstellung von Fördernocken in der Einspritzpumpe (11) zur Folge hat.
  7. Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (12) eine bewegliche und/oder elastische Membran (16) umfasst, die mechanisch mit der Einspritzsteuervorrichtung (10) gekoppelt ist.
  8. Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (2) ein Dieselmotor, insbesondere ein Saugdieselmotor, ist.
  9. Kraftfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  10. Arbeitsmaschine (26) mit einem Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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