DE102020004130A1 - Fuel injection in the internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor, vorzugsweise von Dieselkraftstoff oder ähnlichem Kraftstoff dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des Kraftstoffes, die erste Einspritzung, bei Mehrfacheinspritzung die Voreinspritzung in ein Vakuum erfolgt. Dabei wird das Vakuum im Verdichtungsraum und Teilen des Hubraumes oder alternativ in einem Raum erzeugt, der dem Ansaugbereich des Motors vorgeschaltet ist. Das Vakuum besteht aus Frischluft und/oder Abgas.The invention relates to fuel injection in the internal combustion engine, preferably diesel fuel or similar fuel, characterized in that the injection of the fuel, the first injection, and in the case of multiple injections, the pre-injection takes place in a vacuum. The vacuum is generated in the compression chamber and parts of the cubic capacity or alternatively in a chamber that is upstream of the intake area of the engine. The vacuum consists of fresh air and/or exhaust gas.

Description

Die Erfindung betrifft die Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor, vorzugsweise von Dieselkraftstoff oder ähnlichem Kraftstoff, wobei die Verbrennung homogener und der Schadstoffausstoß verringert wird.The invention relates to fuel injection in the internal combustion engine, preferably diesel fuel or similar fuel, with combustion being more homogeneous and pollutant emissions being reduced.

Stand der TechnikState of the art

In der Einspritztechnologie von Kraftstoffen fanden in den letzten Jahrzehnten die Innovationen hauptsächlich in Verbindung mit der Erhöhung des Einspritzdruckes sowie der Gestaltung der Düse statt. Ziel dieser Maßnahmen ist es, die aus der Düse austretenden Kraftstofftröpfchen zu zerkleinern, kleinere Tröpfchen zu generieren indem energetisch eingewirkt wird; durch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Teilchen und Gas kommt es durch die Reibungsenergie zum Zerfall der Teilchen. Von konstruktiver Seite sind dabei erhebliche Leistungen erbracht worden. Eine weitere Erhöhung des Einspritzdruckes, um die Relativgeschwindigkeit des eintretenden Sprühstrahls zum Gas im Brennraum zu steigern mit dem Vorteil, dass der Kraftstoff feiner verteilt wird und damit vorteilhafte Eigenschaften bei der Verbrennung wie Verringerung der Rußbildung erreicht wird, kann so nicht fortgesetzt werden / Hrsg. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, Seiten 572 - 578, 591 - 595, 1002 -1003/.
Bei Dieselmotoren in der Serie ist derzeitig Standard 2000 bis 2500 bar; bei Rennmotoren bis etwa 3000 bar.
Der Kraftstoff Diesel und ähnliche Kraftstoffe sind, wie alle Fluide amorph und die Viskosität ist druck- und temperaturabhängig. Beispiel: naphthenisches Öl hat bei 50 °C und bei einer Druckerhöhung von Normaldruck auf 2500 bar eine Viskositätsänderung um den Faktor ca. 300. Die Viskositätsänderung mit dem Druck geht exponentiell; mit zunehmendem hydrostatischem Druck wird es immer schwerer, den Kraftstoff, im Beispiel Diesel zu fördern. Mit zunehmender Temperatur sinkt die Viskosität, das freie Volumen nimmt zu. Zum Beispiel verringert sich die Viskosität im Bereich von 20 °C auf 80 °C für verschiedene Mobil Oil um den Faktor 10 bis ca. 13 /K. Witt, „Die Berechnung physikalischer und thermodynamischer Kennwerte von Druckflüssigkeiten, sowie die Bestimmung des Gesamtwirkungsgrades an Pumpen unter Berücksichtigung der Thermodynamik für die Druckflüssigkeit“, Dissertation, Technische Hochschule Eindhoven 1974, Seiten 20 und 40/. Eine Kompensation des Druckeinflusses beim Einspritzen durch eine Temperaturerhöhung ist unter diesen Bedingungen nicht realisierbar.In the last few decades, innovations in fuel injection technology have mainly taken place in connection with increasing the injection pressure and the design of the nozzle. The aim of these measures is to break up the fuel droplets emerging from the nozzle, to generate smaller droplets by having an energetic effect; due to the high relative speeds between the particles and the gas, the frictional energy causes the particles to disintegrate. Significant achievements have been made from the design side. A further increase in the injection pressure in order to increase the relative speed of the incoming spray jet to the gas in the combustion chamber with the advantage that the fuel is distributed more finely and thus advantageous properties during combustion such as reducing soot formation can not be continued / Eds. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Combustion Engine Manual, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, pages 572-578, 591-595, 1002-1003/.
For series diesel engines, the current standard is 2000 to 2500 bar; in racing engines up to about 3000 bar.
Like all fluids, diesel fuel and similar fuels are amorphous and their viscosity depends on pressure and temperature. Example: At 50 °C and with an increase in pressure from normal pressure to 2500 bar, naphthenic oil changes its viscosity by a factor of approx. 300. The change in viscosity with the pressure is exponential; as the hydrostatic pressure increases, it becomes increasingly difficult to pump the fuel, in the example diesel. With increasing temperature, the viscosity decreases and the free volume increases. For example, in the range from 20 °C to 80 °C, the viscosity of various Mobil Oils decreases by a factor of 10 to approx. 13 /K. Witt, "The calculation of physical and thermodynamic parameters of pressure fluids, as well as the determination of the overall efficiency of pumps, taking into account the thermodynamics for the pressure fluid", dissertation, Eindhoven University of Technology 1974, pages 20 and 40/. Under these conditions, it is not possible to compensate for the influence of pressure during injection by increasing the temperature.

Großes Potential bei der weiteren Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der Umweltverträglichkeit besteht auch in der Gestaltung der Einspritzung /Hrsg. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, Seiten 573, 574/, insbesondere durch Voreinspritzungen, den Haupteinspritzungen und der Nacheinspritzung. Dadurch lässt sich die Rußemission, das Verbrennungsgeräusch und weitere Parameter beeinflussen.
Das Ziel, den Kraftstoff möglichst fein zu zerteilen und zu verteilen, im Sinne einer homogenen räumlichen Verteilung, wird in unterschiedlicher Weise realisiert.
In EP 3 058 208 B1 wird ein Flüssigkeitsinjektor zur Erzeugung von atomisierter Flüssigkeit beschrieben, wobei die Flüssigkeit sowie Gas durch Kanäle zu Ausflussöffnungen durch Druckeinwirkung geführt werden und die austretenden Düsenstrahlen in Fokalpunkten miteinander kollidieren, wodurch infolge der aufeinander einwirkenden Energie sehr kleine Tröpfchen generiert werden.
DE 197 13 377 beansprucht eine Düse, in welcher ein Fluid, insbesondere Kraftstoff so durch Kanäle geführt wird, dass ein drallbehafteter Fluidstrom entsteht, der mit einem zweiten Fluidstrom, insbesondere Verbrennungsluft kollidiert, wodurch die Kraftstofftropfen zerfallen, eine Feinverteilung des Kraftstoffes entsteht.
Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung einer feineren Verteilung des Kraftstoffes ist in US 5 150 836 aufgeführt. Dabei wird der Kraftstoff aus einer offenen Düse durch einen Gasimpuls in einen Motoransaugkanal oder eine Brennkammer abgegeben, wobei der Druck und die Menge des Gases vorzugsweise ausreichend sind, um den Kraftstoff mit nahezu Schallgeschwindigkeit aus der Düse austreten zu lassen.There is also great potential for further improving performance and environmental compatibility in the design of the injection system / ed. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Combustion Engine Handbook, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, pages 573, 574/, in particular by pre-injections, the main injections and the post-injection. This allows soot emissions, combustion noise and other parameters to be influenced.
The goal of dividing and distributing the fuel as finely as possible, in the sense of a homogeneous spatial distribution, is realized in different ways.
In EP 3 058 208 B1 describes a liquid injector for generating atomized liquid, the liquid and gas being guided through channels to outflow openings by pressure and the exiting jets collide with each other in focal points, whereby very small droplets are generated as a result of the energy acting on one another.
DE 197 13 377 claims a nozzle in which a fluid, in particular fuel, is guided through channels in such a way that a swirling fluid flow is produced which collides with a second fluid flow, in particular combustion air, as a result of which the fuel droplets break up and the fuel is finely distributed.
Another way of creating a finer distribution of the fuel is in U.S. 5,150,836 listed. The fuel is discharged from an open nozzle into an engine intake duct or combustion chamber by means of a gas pulse, the pressure and quantity of the gas preferably being sufficient to cause the fuel to emerge from the nozzle at almost the speed of sound.

Die vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen zur Verbesserung der Verbrennung durch Einwirkung auf die Kraftstofftropfen sind konstruktiv und/oder energetisch aufwendig. Des Weiteren werden wichtige Zielfunktionen nur teilweise erfüllt. Bei hohen Einspritzdrücken ist außerdem der energetische Aufwand unter Umständen so hoch, dass keine Vorteile daraus entstehen.The aforementioned methods and devices for improving the combustion by acting on the fuel droplets are expensive in terms of design and/or energy. Furthermore, important target functions are only partially fulfilled. At high injection pressures, the energy expenditure is sometimes so high that no advantages arise from it.

Ziel der Erfindungaim of the invention

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbrennung von Kraftstoff, vorzugsweise Diesel oder ähnlichem Kraftstoff so zu führen, dass die Rußbildung deutlich verringert, vorzugsweise gegen Null gebracht wird, die NOx-Bildung erheblich verringert wird, durch eine bessere Verbrennung der Wirkungsgrad erhöht wird und mit der verbesserten Verbrennung die Motordrehzahl und damit die Leistung erhöht werden kann.The solution according to the invention is based on the object of conducting the combustion of fuel, preferably diesel or similar fuel, in such a way that the formation of soot is significantly reduced, preferably brought to zero, the formation of NO x is considerably reduced, the efficiency is increased through better combustion and with the improved combustion, the engine speed and thus the output can be increased.

Erfindungsgemäße LösungSolution according to the invention

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Einspritzung des Kraftstoffes, die erste Einspritzung, die Voreinspritzung in ein Vakuum erfolgt. Das Vakuum besteht aus Luft und/oder Abgas, wobei die Zusammensetzung dieser beiden Komponenten in Abhängigkeit von der Einspritzmenge von Kraftstoff gesteuert oder geregelt wird. Vorzugsweise wird dabei ein geringer λ-Wert von kleiner 2 verwendet, vorteilhafter Weise ein λ-Wert von 0,8 bis 1,2.
Die Voreinspritzung kann sowohl direkt in das Vakuum des Raumes, der aus Hubraum und teilweise Verdichtungsraum besteht, im Nachfolgenden auch als Vakuumraum bezeichnet, erfolgen oder alternativ in einen Raum, der dem Ansaugbereich des Arbeitszylinders vorgeschaltet ist. Im ersten Fall wird die Kolbenbewegung zur Erzeugung des Vakuums benutzt, bei der alternativen Methode können auch andere Verfahren der Vakuumerzeugung zur Anwendung kommen. Das Vakuum wird in diesem Fall außerhalb des Arbeitszylinders erzeugt, dergestalt, dass vor dem Einlassventil des Arbeitszyliders eine Vorrichtung, beispielsweise ein Kolben-Zylinder-System angeordnet ist und in dem das Vakuum erzeugt wird sowie auch die Voreinspritzung erfolgt. Das erzeugte Kraftstoff-Gas-Gemisch wird dann über das Einlassventil dem Arbeitszylinder zugeführt.
Das einzustellende Vakuum ist ein Grobvakuum und wird üblicherweise im Bereich von 0,5 bis 0,1 des Anfangsdruckes liegen. Die Steuerung oder Regelung des Vakuums zur Anpassung an den jeweiligen Kraftstoff erfolgt beispielsweise und in einfacher Weise über den Drehwinkel der Kurbelwelle und somit über den Kolbenhub. Vorteilhaft ist es, den Kraftstoff vor dem Einspritzen vorzuwärmen, im Allgemeinen unter 100 °C, vorzugsweise auf 70 °C bis 80 °C. Durch die Einspritzung in das Vakuum kommt es zu einer schnellen Verdampfung des Kraftstoffes, wodurch dann nachfolgend durch die Kompression des Kraftstoff-Gas-Gemisches eine spontane und gleichmäßige Verbrennung erfolgt und die Verzögerungszeit üblicherweise im Vergleich zum klassischen Dieselprozess verringert ist. Nach der Voreinspritzung erfolgt die Haupteinspritzung vorzugsweise in die Flammenfront der Voreinspritzung; die Haupteinspritzung kann dabei aus einem oder mehreren Einspritzvorgängen bestehen. Durch die Mehrfacheinspritzung wird eine Homogenisierung der Verbrennung erreicht. Unter Umständen kann auch noch eine Nacheinspritzung erfolgen.
Über die Bewegung des Kolbens wird mittels Ventile und/oder Klappen und/oder wirkähnlichen Konstruktionselementen die Zufuhr von Frischluft und Abgas das λ-Verhältnis eingestellt.
Die vorgenannten Maßnahmen sind im gleichen Umfang auch bei höherem Druck von Frischluft und Abgas als bei Umgebungsdruck realisierbar. Die Bildung des Vakuums erfolgt jeweils nach dem Arbeitstakt und dem anschließenden Ausstoßen des verbrannten Kraftstoff-Abgas-Gemisches, wobei das Auslassventil des Arbeitszylinders offen, das Einlassventil geschlossen ist. Mit dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens schließt das Auslassventil. Dadurch, dass beim Ausstoßen des verbrannten Kraftstoff-Abgas-Gemisches wegen des offenen Auslassventils der Druck jeweils der Umgebungsdruck des Motors ist, erfolgt die Erzeugung des Vakuums bei diesen Ausgangsbedingungen. Nachfolgend kann dann, als vorteilhafte Maßnahme die Zuführung von Luft und Abgas bei höherem Drücken als bei Umgebungsdruck erfolgen. Damit ist eine Aufladung des Motors vorteilhaft realisiert.According to the invention, the object is achieved in that the injection of the fuel, the first injection, the pre-injection takes place in a vacuum. The vacuum consists of air and/or exhaust gas, the composition of these two components being controlled or regulated as a function of the injected fuel quantity. A low λ value of less than 2 is preferably used, advantageously a λ value of 0.8 to 1.2.
The pre-injection can take place either directly in the vacuum of the space, which consists of displacement space and partially compression space, hereinafter also referred to as vacuum space, or alternatively in a space that is upstream of the intake area of the working cylinder. In the first case, the piston movement is used to create the vacuum; in the alternative method, other methods of vacuum creation can also be used. In this case, the vacuum is generated outside of the working cylinder in such a way that a device, for example a piston-cylinder system, is arranged in front of the inlet valve of the working cylinder and in which the vacuum is generated and the pre-injection also takes place. The fuel-gas mixture that is generated is then fed to the working cylinder via the inlet valve.
The vacuum to be set is a rough vacuum and will usually be in the range of 0.5 to 0.1 of the initial pressure. The vacuum is controlled or regulated in order to adapt it to the respective fuel, for example and in a simple manner via the angle of rotation of the crankshaft and thus via the piston stroke. It is advantageous to preheat the fuel before injection, generally below 100°C, preferably to 70°C to 80°C. The injection into the vacuum causes the fuel to evaporate quickly, which then results in spontaneous and even combustion due to the compression of the fuel-gas mixture and the delay time is usually reduced compared to the classic diesel process. After the pre-injection, the main injection preferably takes place in the flame front of the pre-injection; the main injection can consist of one or more injection processes. The multiple injection achieves a homogenization of the combustion. Under certain circumstances, a post-injection can also take place.
The movement of the piston adjusts the supply of fresh air and exhaust gas, the λ ratio, by means of valves and/or flaps and/or similar structural elements.
The aforementioned measures can also be implemented to the same extent at higher pressures of fresh air and exhaust gas than at ambient pressure. The vacuum is formed after the power stroke and the subsequent ejection of the combusted fuel/exhaust gas mixture, with the outlet valve of the working cylinder being open and the inlet valve being closed. When the piston reaches top dead center, the exhaust valve closes. Due to the fact that when the combusted fuel/exhaust gas mixture is ejected, the pressure is always the ambient pressure of the engine due to the open outlet valve, the vacuum is generated under these initial conditions. Then, as an advantageous measure, the air and exhaust gas can be supplied at higher pressures than at ambient pressure. In this way, supercharging of the engine is implemented in an advantageous manner.

Durch die aufgeführten Maßnahmen wird die Verbrennung sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch der Temperaturverteilung vorteilhaft beeinflusst. Im Ergebnis wird die Rußbildung und die NOx-Bildung verringert, der Wirkungsgrad verbessert und durch die kürzeren Verbrennungszeiten erhöht sich die maximale Drehzahl im Vergleich zum klassischen Dieselprozess.Combustion is advantageously influenced by the measures listed, both with regard to temperature and temperature distribution. As a result, the formation of soot and NO x is reduced, the efficiency is improved and the maximum speed is increased due to the shorter combustion times compared to the classic diesel process.

Beispielhafte AusgestaltungExemplary design

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen 1 bis 3. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Lösung mit der Bildung des Vakuums im Verdichtungsraum und teilweise im Hubraum des Verbrennungsmotors.
  • 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau von einem der Arbeitseinheit des Motors vorgeschaltetem Zylinder, in dem die Verdampfung des Kraftstoffes realisiert wird.
  • 3 zeigt beispielhaft die Realisierung der definierten Zufuhr von Frischluft und Abgas, der Einstellung eines vorgegebenen λ-Wertes durch Ventile und/oder Klappen.
Further advantages, features and details of the solution according to the invention result from the following description of three exemplary embodiments and drawings 1 to 3. The exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings, without being restricted thereto.
  • 1 shows the basic structure of the solution according to the invention with the formation of the vacuum in the compression chamber and partially in the displacement of the internal combustion engine.
  • 2 shows the basic structure of a cylinder upstream of the working unit of the engine, in which the vaporization of the fuel is realized.
  • 3 shows an example of the realization of the defined supply of fresh air and exhaust gas, the setting of a specified λ value by valves and/or flaps.

Fig. 11

In der 1 ist beispielhaft der Arbeitszylinder 1 des Motors mit dem Kolben 2, den Ventilen 6 für die Zufuhr der Luft mit rückgeführtem Abgas, dem Einlassventil, dem Ventil 7 für das Abgas, dem Auslassventil und der Einspritzdüse 5 dargestellt. Zur Ergänzung ist der Verdichtungsraum Vc 3 und der Hubraum VH 4 aufgeführt.In the 1 the working cylinder 1 of the engine with the piston 2, the valves 6 for the supply of air with recirculated exhaust gas, the inlet valve, the valve 7 for the exhaust gas, the outlet valve and the injection nozzle 5 is shown as an example. The compression space Vc 3 and the cubic capacity V H 4 are listed as supplements.

In Funktion des Motors werden nach dem Ausstoßen des verbrannten Kraftstoffes mit den Abgasen das Einlassventil und das Auslassventil geschlossen. Durch die Kolbenbewegung nach unten entsteht in dem Raum aus Verdichtungsraum 3 und je nach Kolbenstellung Teile des Hubraumes 4, dem Vakuumraum ein Vakuum. Bei vorgegebener Größe des Vakuums erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes, die Voreinspritzung. Im Vakuum verdampft der eingespritzte Kraftstoff und bildet eine weitgehend homogene Verteilung im Vakuumraum aus. Gegenüber der Verdampfung der Kraftstofftröpfchen unter Normaldruck ist die Verdampfung im Vakuum deutlich begünstigt. Je nach Position des Kolbens und damit des eingestellten Vakuums wird kurz nach dem Einspritzen in das Vakuum das Einlassventil 6 geöffnet und damit bei weiterer Kolbenbewegung nach unten wird Frischluft und im Allgemeinen rückgeführtem Abgas mit eingestelltem, definiertem λ-Verhältnis zugeführt. Dabei findet ein Druckausgleich statt. Durch die anschließende Kompression des Gemisches aus Kraftstoff, Luft und Abgas erfolgt auf Grund der Homogenität der Komponenten und der gasförmigen Verteilung des Kraftstoffes eine schnelle, explosionsartige Verbrennung mit geringer Verzögerungszeit, nahezu eine Gleichraumverbrennung. In die sich dabei ausbildende thermisch weitgehende homogene Verbrennung, in diese Flammenfront erfolgt die Haupteinspritzung, die aus einer Einspritzung oder mehreren Einspritzvorgängen bestehen kann, wobei auch mehrere Einspritzungen zu einer Homogenisierung der Verbrennung führen. Eine Nacheinspritzung kann dem angeschlossen sein. Nach dem Arbeitstakt werden die Komponenten der Verbrennung durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens aus dem geöffneten Auslassventil ausgestoßen. Der nächste Arbeitstakt mit Bildung des Vakuums beginnt.In function of the engine, after ejecting the burnt fuel with the exhaust gases the inlet valve and the outlet valve closed. The downward movement of the piston creates a vacuum in the space consisting of compression space 3 and, depending on the piston position, parts of displacement space 4, the vacuum space. At a given level of vacuum, the fuel is injected, the pre-injection. The injected fuel evaporates in the vacuum and forms a largely homogeneous distribution in the vacuum space. Compared to the evaporation of the fuel droplets under normal pressure, evaporation in a vacuum is significantly better. Depending on the position of the piston and thus the set vacuum, the inlet valve 6 is opened shortly after the injection into the vacuum and fresh air and generally recirculated exhaust gas are supplied with a set, defined λ ratio as the piston moves further downwards. A pressure equalization takes place. Due to the subsequent compression of the mixture of fuel, air and exhaust gas, due to the homogeneity of the components and the gaseous distribution of the fuel, there is rapid, explosive combustion with a short delay time, almost equal volume combustion. The main injection, which can consist of one injection or several injection processes, takes place in the thermally largely homogeneous combustion that forms, in this flame front, with several injections also leading to a homogenization of the combustion. A post-injection can be connected to this. After the power stroke, the components of the combustion are expelled from the opened exhaust valve by the upward movement of the piston. The next work cycle begins with the formation of the vacuum.

Fig. 22

2 zeigt die schematische Darstellung des dem Motor vorgeschalteten Zylinders 8, dem Verdampfungszylinder, in dem die Verdampfung des Kraftstoffes für die erste Einspritzung, die Voreinspritzung erfolgt. Zur Erzeugung des Vakuums, das im Allgemeinen ein Luft- und Abgas-Gemisch ist, bewegt sich der Kolben 9 im Zylinder 8 so, dass bei geschlossenen Ventilen 11 und 12 im Raum oberhalb des Kolbens ein Vakuum entsteht. Bei dem vorliegendem, eingestelltem Vakuum, definiert durch die Stellung des Kolbens 9, wird durch die Düse 10 Kraftstoff eingespritzt, der im Vakuum schnell verdampft. Es entsteht ein im Wesentlichen homogenes Kraftstoff-Gas-Gemisch. Mit weiterer Vergrößerung des Vakuumraumes durch die Bewegung des Kolbens 9 wird das Einlassventil 11 geöffnet und dem vorliegenden Kraftstoff-Gas-Gemisch wird Luft und/oder Abgas in definierter Menge zugeführt. Das dann im Zylinder 8, im Zylinder für die Verdampfung des Kraftstoffes vorliegende homogene Kraftstoff-Gas-Gemisch wird über das Auslassventil 12 dem Arbeitszylinder 1 über das Einlassventil 6 zugeführt. Das entstehende Kraftstoff-Gas-Gemisch im Arbeitszylinder 1 wird komprimiert, entzündet sich und in die dadurch entstehende Flammenfront erfolgt dann die Haupteinspritzung bzw. mehrere Einspritzungen über die Düse 5. Der Arbeitstakt erfolgt bei geschlossenen Ventilen 6 und 7. Nach Erreichen des unteren Totpunktes wird mit weiterer Bewegung des Kolbens 2 das verbrannte Kraftstoff-Abgas-Gemisch über das Auslassventil 7 ausgestoßen. Der neue Arbeitstakt des Arbeitszylinders 1 beginnt mit der Zuführung des Kraftstoff-Gas-Gemisches aus dem Verdampfungszylinder 8 nach Öffnung des Einlassventils 6. 2 shows the schematic representation of the engine upstream cylinder 8, the vaporization cylinder, in which the vaporization of the fuel for the first injection, the pre-injection takes place. To create the vacuum, which is generally a mixture of air and exhaust gas, the piston 9 moves in the cylinder 8 in such a way that when the valves 11 and 12 are closed, a vacuum is created in the space above the piston. In the present, set vacuum, defined by the position of the piston 9, fuel is injected through the nozzle 10, which quickly evaporates in the vacuum. An essentially homogeneous fuel-gas mixture is created. With a further enlargement of the vacuum space due to the movement of the piston 9, the inlet valve 11 is opened and air and/or exhaust gas is supplied in a defined quantity to the existing fuel-gas mixture. The homogeneous fuel-gas mixture then present in the cylinder 8 , in the cylinder for the evaporation of the fuel, is supplied to the working cylinder 1 via the inlet valve 6 via the outlet valve 12 . The resulting fuel-gas mixture in the working cylinder 1 is compressed, ignites and the main injection or multiple injections then takes place in the resulting flame front via the nozzle 5. The working cycle takes place with the valves 6 and 7 closed with further movement of the piston 2, the combusted fuel-exhaust gas mixture is ejected via the exhaust valve 7. The new working cycle of the working cylinder 1 begins with the supply of the fuel-gas mixture from the evaporation cylinder 8 after the opening of the inlet valve 6.

Bei einer alternativen Arbeitsweise kann die Zufuhr von Luft und/oder Abgas dem vorgeschalteten Verdampfungszylinder auch partiell erfolgen. Dabei wird nach Übergabe des Kraftstoff-Gas-Gemisches aus dem Verdampfungszylinder 8 an den Arbeitszylinder 1 die definierte Einstellung des Luft-Abgas-Verhältnisses, das λ-Verhältnis durch die Zufuhr von Luft und/oder Abgas im Arbeitszylinder realisiert. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, dass dem Kraftstoff-Gas-Gemisch nach dem Vakuum im Verdampfungszylinder 8 zunächst Abgas über das Einlassventil 11 zugeführt wird und nach Übergabe dieses Kraftstoff-Gas-Gemisches an den Arbeitszylinder1 über das Einlassventil 6 des Arbeitszylinders dann die für die Verbrennung notwendige Menge Luft, bei vorgegebenem λ-Verhältnis zugeführt wird. In an alternative mode of operation, the supply of air and/or exhaust gas to the upstream evaporation cylinder can also take place partially. After the fuel/gas mixture has been transferred from the evaporation cylinder 8 to the working cylinder 1, the air/exhaust gas ratio, the λ ratio, is set in a defined manner by the supply of air and/or exhaust gas in the working cylinder. For example, it can be advantageous that exhaust gas is first fed to the fuel-gas mixture after the vacuum in the evaporation cylinder 8 via the inlet valve 11 and then, after this fuel-gas mixture has been transferred to the working cylinder 1 via the inlet valve 6 of the working cylinder, the gas for combustion necessary amount of air is supplied at a given λ ratio.

Fig. 33

3 zeigt beispielhaft schematisch einen Ventilblock 16, in dem das Luft-Abgas-Verhältnis eingestellt wird. Dabei können die Ventile auch als Klappen oder ähnliche Konstruktionselemente ausgebildet sein. Die Gasbewegung im Ventilblock wird verursacht durch die Druckverhältnisse aus der Bewegung des Kolbens 2 im Arbeitszylinder 1 bzw. der Bewegung des Kolbens 9 im Verdampfungszylinder 8. In beiden Fällen wird zur Einhaltung des vorgegebenen λ-Verhältnisses die Steuerung oder Regelung der Luft und der Abgase erforderlich. In der beispielhaften Darstellung wird über das Ventil 13 Luft 18 in den Arbeitszylinder 1 zugeführt. Dabei ist das Ventil 14 für die Luft offen, für das Abgas 15 geschlossen. Nachdem die vorgesehene Menge Luft in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens 2 des Arbeitszylinders 1 über den Ventilausgang 17 zugeführt wurde, wird das Ventil 13 geschlossen und Ventil 14 so umgesteuert, dass Abgas über die Zuführung 15 und den Ventilausgang 17 an dem Arbeitszylinder 1 übergeben wird. Zuführung von Luft und Abgas kann auch in umgekehrter Reihenfolge stattfinden. Der Ventilblock 16 ist konstruktiv so ausgelegt, dass das Restvolumen in den Leitungen und Ventilen minimal ist. 3 shows a schematic example of a valve block 16 in which the air-exhaust gas ratio is set. The valves can also be designed as flaps or similar structural elements. The gas movement in the valve block is caused by the pressure conditions from the movement of the piston 2 in the working cylinder 1 or the movement of the piston 9 in the evaporation cylinder 8. In both cases, the control or regulation of the air and the exhaust gases is required to maintain the specified λ ratio . In the exemplary illustration, air 18 is fed into the working cylinder 1 via the valve 13 . The valve 14 is open to the air and closed to the exhaust gas 15 . After the intended amount of air has been supplied via the valve outlet 17 as a function of the movement of the piston 2 of the working cylinder 1, the valve 13 is closed and valve 14 is reversed in such a way that exhaust gas is transferred to the working cylinder 1 via the inlet 15 and the valve outlet 17 . Air and exhaust gas can also be supplied in the reverse order. The valve block 16 is structurally designed in such a way that the residual volume in the lines and valves is minimal.

BezugszeichenlisteReference List

11
Arbeitszylinderworking cylinder
22
KolbenPistons
33
Verdichtungsraumcompression space
44
Hubraumdisplacement
55
Einspritzdüseinjector
66
Ventil (Einlassventil)valve (intake valve)
77
Ventil (Auslassventil)valve (exhaust valve)
88th
Verdampfungszylinderevaporation cylinder
99
KolbenPistons
1010
Einspritzdüse für erste EinspritzungInjection nozzle for first injection
1111
Einlassventilintake valve
1212
Auslassventiloutlet valve
1313
VentilValve
1414
VentilValve
1515
Zuführung Abgassupply of exhaust gas
1616
Ventilblockvalve block
1717
Ventilausgang zum ArbeitszylinderValve outlet to the working cylinder
1818
Zuführung Frischluftsupply of fresh air

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 3058208 B1 [0003]EP 3058208 B1 [0003]
  • DE 19713377 [0003]DE 19713377 [0003]
  • US 5150836 [0003]US5150836 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent Literature Cited

  • Hrsg. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, Seiten 572 - 578, 591 - 595, 1002 -1003/. [0002]Eds. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Combustion Engine Manual, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, pages 572-578, 591-595, 1002-1003/. [0002]

Claims (13)

Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor, vorzugsweise von Dieselkraftstoff oder ähnlichem Kraftstoff dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des Kraftstoffes pro Arbeitszyklus, bei Mehrfacheinspritzung die erste Einspritzung, die Voreinspritzung des Kraftstoffes, in ein Vakuum erfolgt.Fuel injection in the internal combustion engine, preferably diesel fuel or similar fuel, characterized in that the fuel is injected per working cycle, in the case of multiple injection the first injection, the pre-injection of the fuel, takes place in a vacuum. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum in einem Raum bestehend aus dem Verdichtungsraum und Teilen des Hubraumes durch die Kolbenbewegung erzeugt wird.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 characterized in that the vacuum is generated in a space consisting of the compression space and parts of the cubic capacity by the piston movement. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum in einem Raum erzeugt wird, der dem Ansaugbereich des Verbrennungsmotors vorgeschaltet ist.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 characterized in that the vacuum is generated in a space upstream of the intake area of the internal combustion engine. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum steuerbar oder regelbar ist.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 until 3 characterized in that the vacuum can be controlled or regulated. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum ein Grobvakuum ist.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 until 4 characterized in that the vacuum is a rough vacuum. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum im Bereich von 0,5 bis 0,1 des Anfangsdruckes liegt.fuel injection in the internal combustion engine claim 5 characterized in that the vacuum is in the range of 0.5 to 0.1 of the initial pressure. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum aus Frischluft und/oder Abgas besteht.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 until 6 characterized in that the vacuum consists of fresh air and/or exhaust gas. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrfacheinspritzung die Haupteinspritzung in die Flammenfront der Voreinspritzung erfolgt.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 until 7 characterized in that in the case of multiple injection, the main injection takes place in the flame front of the pre-injection. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung aus mehreren Einspritzvorgängen besteht.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 until 8th characterized in that the main injection consists of several injection processes. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung aus Frischluft und Abgas in Abhängigkeit von der Einspritzmenge des Kraftstoffes geregelt wird.fuel injection in the internal combustion engine claim 1 until 9 characterized in that the composition of fresh air and exhaust gas is regulated as a function of the injected fuel quantity. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der λ-Wert vorzugsweise kleiner als 2 ist.fuel injection in the internal combustion engine claim 10 characterized in that the λ value is preferably less than 2. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass der λ-Wert vorzugsweise im Bereich von 0,8 bis 1,2 liegt.fuel injection in the internal combustion engine claim 11 characterized in that the λ value is preferably in the range from 0.8 to 1.2. Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass durch Ventile und/oder Klappen und/oder ähnliche Konstruktionselemente die Zufuhr von Frischluft und Abgas in den Brennraum oder dem Ansaugbereich vorgeschaltetem Vakuumraum und damit das λ-Verhältnis eingestellt wird.fuel injection in the internal combustion engine claim 10 until 12 characterized in that the supply of fresh air and exhaust gas into the combustion chamber or the vacuum chamber upstream of the intake area and thus the λ ratio is adjusted by valves and/or flaps and/or similar structural elements.
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Title
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