DE102020212697A1

DE102020212697A1 - Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors, Injektor, Dieselmotor und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020212697A1
Application number: DE102020212697.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Wunderlich; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Helmut Kindl; Hanno Friederichs; Andreas Kuske; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: DE102020212697B4

Abstract

Es werden Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors 1 angegeben. Diese Verfahren weisen ein Durchführen eines Kraftstoffverbrennungsvorgangs in einem Zylinder 2 des Dieselmotors 1 mit einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt auf, wobei ein Kolben 3 des Zylinders 2 zu Beginn des Ansaugtakts und zu Beginn des Arbeitstakts an einem oberen Totpunkt TDC des Zylinders 2 und zu Beginn des Verdichtungstakts und zu Beginn des Ausstoßtakts an einem unteren Totpunkt BDC des Zylinders 2 steht. Außerdem ist ein Nacheinspritzen von Kraftstoff 4 vorgesehen. Das Nacheinspritzen kann bei geöffnetem Auslassventil 5 in den Zylinder 2 des Dieselmotors 1 zu einem Zeitpunkt erfolgen, der zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts BDC zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts TDC zu Beginn des Ansaugtakts durch den Kolben 3 dieses Zylinders 2 liegt. Die nacheinzuspritzende Kraftstoffmenge kann auf mehrere Nacheinspritzpulse aufgeteilt werden. Das Nacheinspritzen kann mit einem gegenüber einem Haupteinspritzen reduzierten Kraftstoffdruck erfolgen.Zudem werden ein Injektor 10 zum Einspritzen von Kraftstoff 4 in einen Zylinder 2 eines Dieselmotors 1, einen 4-Takt-Dieselmotor 1, ein Kraftfahrzeug 100 sowie ein Computerprogramm angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors, einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder eines Dieselmotors, einen 4-Takt-Dieselmotor, ein Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogramm.
Die Einhaltung von Vorschriften zur Beschränkung der Emission von Luftschadstoffen beim Betrieb von Kraftfahrzeugen stellt für Fahrzeuge mit Dieselmotoren und üblichen Auflade- und Abgasrückführungssystemen eine Herausforderung dar. Insbesondere zur Einhaltung von Stickoxidgrenzwerten wird eine Abgasrückführung auch unter Volllastbedingungen durchgeführt. Dies führt zwar einerseits zur gewünschten Reduktion der Stickoxidemission, aber andererseits zu einer unerwünschten Erhöhung der Partikelemission.
Dadurch kommt es zu einer schnelleren Beladung des Partikelfilters, so dass eine häufigere Regeneration des Partikelfilters erforderlich ist. Hierbei besteht das Problem, dass die für eine Regeneration erforderlichen Bedingungen, insbesondere das Vorhandensein einer für die Regeneration erforderlichen Mindesttemperatur, nur schwer einzuhalten sind, beispielsweise beim Zurücklegen kurzer Fahrstrecken, bei denen keine ausreichend hohen Motortemperaturen erreicht werden.
Aufgrund der Tatsache, dass geringe Geschwindigkeiten und/oder geringe Motorlasten mit geringen Abgastemperaturen verbunden sind, erlauben einige Fahrbedingungen keine oder nur eine stark eingeschränkte Regeneration des Partikelfilters. Um dennoch eine Regeneration des Partikelfilters durchführen zu können, kann der Anteil an zu oxidierenden Spezies, z. B. der Kohlenwasserstoffanteil, im Abgas erhöht werden, indem eine sehr späte Nacheinspritzung kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunkts, im Folgenden auch als BDC-Nacheinspritzung (BDC englisch für „bottom dead center“) bezeichnet, durchgeführt wird. Dies führt zu einer exothermen Reaktion im Oxidationskatalysator und der gewünschten Erhöhung der Abgastemperatur, um die Regeneration des Partikelfilters effektiv durchführen zu können.
Allerdings hat eine BDC-Nacheinspritzung den Nachteil, dass die Zylinderwandung vermehrt mit Kraftstoff in Kontakt kommt. Ursache dafür ist, dass der Zylinderinnendruck aufgrund des vergrößerten Volumens bei sich senkendem Kolben reduziert ist. Der Einspritzdruck ist demgegenüber hoch. Daher treffen die Einspritzstrahlen auf weniger Gaswiderstand und kommen leichter mit der Zylinderwandung in Kontakt. Zudem ist ein Einspritzen in die Kolbenmulde so gut wie nicht mehr möglich, da sich der Kolben auf dem Weg zum unteren Totpunkt befindet. Diese Effekte führen zu einer Ölverdünnung und den damit in Zusammenhang stehenden, bekannten Nachteilen, wie z. B. einem Nachlassen der Schmierwirkung des Motoröls.
Vorrichtungsseitig ist aus der DE 199 37 559 A1 ein zweistufiges Magnetventil für Injektoren von Einspritzsystemen bekannt. Dadurch können zwei Einspritzstufen, nämlich eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung, realisiert werden. Für die Voreinspritzung ist vorgesehen, dass die Düsennadel langsam öffnet, so dass kleine Voreinspritzmengen präzise bemessen werden können. Für die Haupteinspritzung kann hingegen eine große Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel realisiert werden. Sowohl Voreinspritzung als auch Nacheinspritzung benötigen einen hohen Einspritzdruck zur Gemischaufbereitung und für die Durchdringung des Brennraums aufgrund des hohen Zylinderinnendrucks. Die vorstehend angesprochen Probleme in Hinblick auf eine Nacheinspritzung können daher mit dem aus der DE 199 37 559 A1 bekannten Einspritzsystem nicht behoben werden.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen die vorstehend beschriebenen Nachteile behoben oder zumindest verringert werden können. Wünschenswert wäre insbesondere eine Verringerung der Ölverdünnung.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände des Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche. Die Unteransprüche enthalten Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.
Eine Grundidee der Erfindung ist es, zur Verhinderung der Ölverdünnung die Eindringtiefe des nacheingespritzten Kraftstoffs in den Zylinder zu reduzieren und/oder einen Kontakt zwischen Kraftstoff und Zylinderwandung weitgehend zu vermeiden.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors.
Unter einem Dieselmotor ist dabei eine mit Dieselkraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Während des dafür nötigen Verbrennungsvorgangs wird Abgas gebildet, das in einen sich an den Dieselmotor anschließenden Abgasstrang eingeleitet wird. Die für den Verbrennungsvorgang benötigte Zuluft wird dem Dieselmotor über einen Zuluftstrang von außen zugeführt. Optional kann dem Dieselmotor eine Abgasrückführung zugeordnet sein, so dass der Zuluft ein Anteil an Abgas zugemischt werden kann.
Optional kann dem 4-Takt-Dieselmotor ein Turbolader zugeordnet sein, der eine im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine und einen im Zuluftstrang angeordneten Verdichter aufweist, wobei die Abgasturbine und der Verdichter über eine Turboladerwelle miteinander verbunden sind, so dass der Verdichter mittels der Abgasturbine angetrieben werden kann.
Die Kraftstoffverbrennung findet in einem Verbrennungsraum des Dieselmotors statt, der, aus Sicht des oszillierenden Kolbens, nach oben durch den Zylinderkopf abgeschlossen wird. Im Zylinderkopf können beispielsweise Ein- und Auslasskanäle, Ölkanäle, Einspritzdüsen und Glühkerzen angeordnet sein. Außerdem können Kühlkanäle zur Kühlung des Zylinderkopfes mittels eines Kühlmittels, z. B. Wasser, vorhanden sein. Der Verbrennungsraum wird durch das von Zylinder, Kolben und Zylinderkopf eingeschlossene Volumen gebildet.
Das vorgeschlagene Verfahren weist ein Durchführen eines Kraftstoffverbrennungsvorgangs in einem Zylinder des Dieselmotors mit einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt auf, wobei ein Kolben des Zylinders zu Beginn des Ansaugtakts und zu Beginn des Arbeitstakts an einem oberen Totpunkt des Zylinders und zu Beginn des Verdichtungstakts und zu Beginn des Ausstoßtakts an einem unteren Totpunkt des Zylinders steht. Mithin handelt es sich um den bekannten Standardkraftstoffverbrennungsvorgang eines 4-Takt-Dieselmotors.
Während eines die genannten vier Takte umfassenden Kraftstoffverbrennungsvorgangs variiert der Kurbelwinkel, der den Winkel der Kurbelwinkel im Verhältnis zum oberen Totpunkt des Kolbens beschreibt, zwischen 0 °KW und 720 °KW. Im oberen Totpunkt beträgt der Kurbelwinkel dabei 0 °KW bzw. 720 °C und 360 °KW. Am unteren Totpunkt beträgt der Kurbelwinkel 180 °KW und 540 °KW.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren ein Nacheinspritzen von Kraftstoff bei geöffnetem Auslassventil in den Zylinder des Dieselmotors zu einem Zeitpunkt, der zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts zu Beginn des Ansaugtakts durch den Kolben dieses Zylinders liegt. Mit anderen Worten ist der Kurbelwinkel zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung größer als ca. 500 °KW und kleiner als 720 °KW, d. h. der Kolben hat den unteren Totpunkt zu Beginn des Ausstoßtakts bereits passiert, den oberen Totpunkt zu Beginn des Ansaugtakts hingegen noch nicht erreicht.
Um ein Ansaugen von nacheingespritztem Kraftstoff während des nachfolgenden Ansaugtakts zu vermeiden, kann der Kurbelwinkel zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung vorzugsweise kleiner als 720 °KW sein. Beispielsweise kann das Nacheinspritzen des Kraftstoffs bei einem Kurbelwinkel zwischen 600 °KW und 700 °KW oder einem Kurbelwinkel zwischen 630 °KW und 680 °KW erfolgen.
Nacheinspritzen bedeutet, dass es sich um einen von der Haupteinspritzung separierten Einspritzvorgang handelt. Mit anderen Worten liegt zwischen der Haupteinspritzung und dem Nacheinspritzen ein Zeitraum, in dem keine Einspritzung stattfindet. Der nacheingespritzte Kraftstoff wird nicht oder nur noch teilweise verbrannt, so dass im Kraftstoff enthaltende oxidierbare Bestandteile, z. B. Kohlenwasserstoffe, in den Abgasstrom gelangen können, so dass der Anteil oxidierbarer Bestandteile im Abgasstrom erhöht wird. Wie eingangs beschrieben können diese Bestandteile durch exotherme Oxidationsreaktionen, z. B. in einem Oxidationskatalysator, oxidiert werden, wodurch Wärmeenergie freigesetzt wird, die zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führt. Vorteilhaft kann eine Erhöhung der Abgastemperatur auch unter Bedingungen erreicht werden, die sonst mit einer niedrigen Abgastemperatur verbunden sind, z. B. bei kurzen Fahrstrecken, niedriger Motorlast, niedriger Geschwindigkeit etc.
Durch die Erhöhung der Abgastemperatur kann eine für eine effektive Regeneration des Partikelfilters notwendige Abgastemperatur erreicht werden, so dass die Regeneration unabhängiger von den sonstigen vorstehend genannten Bedingungen erfolgen kann. Nach erfolgter Regeneration können wieder Partikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden und die Emission von Luftschadstoffen kann verringert werden.
Das Nacheinspritzen kann bevorzugt nur dann vorgesehen sein, wenn eine Erhöhung der Abgastemperatur erforderlich ist, d. h. die für die Partikelfilterregeneration erforderliche Abgastemperatur anderweitig nicht erreicht werden kann oder soll. Dadurch kann ein zu hoher Kraftstoffverbrauch vermieden werden.
Indem das Nacheinspritzen kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts im Ausstoßtakt durchgeführt wird, treffen die Einspritzstrahlen vermehrt auf die Kolbenmulde des Kolbens, während ein Kontakt der Einspritzstrahlen mit der inneren Zylinderwandung weitestgehend vermieden werden kann. Dadurch kann verhindert werden, dass Kraftstoff an der Zylinderwandung entlang läuft und an den Kolbenringen vorbei in das Motoröl gelangt. Mit anderen Worten kann eine Ölverdünnung verringert werden. Die Schmierwirkung des Motoröls kann über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden, so dass Ölwechsel weniger häufig erforderlich sind. Die Lebensdauer des Dieselmotors kann erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Nacheinspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder des Dieselmotors die nacheinzuspritzende Kraftstoffmenge auf mehrere Nacheinspritzpulse aufgeteilt wird. Mit anderen Worten kann die Nacheinspritzung pulsierend erfolgen. Hierdurch wird weniger Einspritzmenge pro Einspritzpuls transportiert, so dass sich das Einspritzmoment reduziert und die Eindringtiefe des nacheingespritzten Kraftstoffs in den Zylinder verringert wird.
Die konkret zu wählende Einspritzpulsstrategie, z. B. Anzahl der Pulse, Pulsdauer, etc., sollte hierbei auf Parameter, wie z. B. die Kolbenbewegung, abgestimmt werden. Zu den allgemeinen Effekten und Varianten der Nacheinspritzung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Durch die gepulste Nacheinspritzung kann ein Kontakt der Einspritzstrahlen mit der inneren Zylinderwandung verringert werden. Dadurch kann verhindert werden, dass Kraftstoff an der Zylinderwandung entlang läuft und an den Kolbenringen vorbei in das Motoröl gelangt. Mit anderen Worten kann eine Ölverdünnung verringert werden. Die Schmierwirkung des Motoröls kann über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden, so dass Ölwechsel weniger häufig erforderlich sind. Die Lebensdauer des Dieselmotors kann vorteilhaft erhöht werden.
Die gepulste Nacheinspritzung kann zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Zeitpunkt der Nacheinspritzung kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunkts, z. B. zwischen 500 °KW und 540 °KW, erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass keine steuertechnische Änderung des Zeitpunkts der Nacheinspritzung erfolgen muss.
Alternativ kann die gepulste Nacheinspritzung bei geöffnetem Auslassventil auch zu einem Zeitpunkt erfolgen, der zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts zu Beginn des Ansaugtakts durch den Kolben des Zylinders liegt, erfolgen. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Diese Kombination hat den Vorteil, dass die Ölverdünnung in einem größeren Ausmaß verringert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Nacheinspritzen mit einem gegenüber einem Haupteinspritzen reduzierten Kraftstoffdruck erfolgt.
Hierzu kann beispielsweise Kraftstoff aus einem der Einspritzdüse zugeordneten Druckraum abgeführt werden, wie nachfolgend noch beschrieben werden wird.
Aufgrund des reduzierten Kraftstoffdrucks kann die Eindringtiefe des nacheingespritzten Kraftstoffs in den Zylinder reduziert werden. Auch der Kontakt der Einspritzstrahlen mit der inneren Zylinderwandung kann verringert werden. Dadurch kann verhindert werden, dass Kraftstoff an der Zylinderwandung entlang läuft und an den Kolbenringen vorbei in das Motoröl gelangt. Mit anderen Worten kann eine Ölverdünnung verringert werden. Die Schmierwirkung des Motoröls kann über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden, so dass Ölwechsel weniger häufig erforderlich sind. Die Lebensdauer des Dieselmotors kann vorteilhaft erhöht werden.
Das Nacheinspritzen mit reduziertem Kraftstoffdruck kann zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Zeitpunkt der Nacheinspritzung kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunkts erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass keine steuertechnische Änderung des Zeitpunkts der Nacheinspritzung erfolgen muss.
Alternativ kann das Nacheinspritzen mit reduziertem Kraftstoffdruck bei geöffnetem Auslassventil auch zu einem Zeitpunkt erfolgen, der zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts zu Beginn des Ansaugtakts durch den Kolben des Zylinders liegt, erfolgen. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Diese Kombination hat den Vorteil, dass die Ölverdünnung in einem größeren Ausmaß verringert werden kann.
Darüber hinaus kann das Nacheinspritzen mit reduziertem Kraftstoffdruck auch mit einem gepulsten Nacheinspritzen oder mit einem gepulsten Nacheinspritzen und einer Verschiebung des Zeitpunkts der Nacheinspritzung kombiniert werden, um die Ölverdünnung weiter zu verringern. Auf die vorstehenden Ausführungen zur Erläuterung dieser Verfahren und der damit verbundenen Vorteile wird verwiesen.
Allen vorgeschlagenen Verfahren ist gemein, dass die Eindringtiefe des nacheingespritzten Kraftstoffs in den Zylinder verringert wird und/oder ein Kontakt zwischen dem Kraftstoff und der Zylinderwandung weitgehend vermieden wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder eines Dieselmotors. Der Injektor weist auf: eine Einspritzdüse mit einem der Einspritzdüse zugeordneten Druckraum, einen Ventilsteuerraum, einen Zulaufkanal zur Zuführung von Kraftstoff zu dem Druckraum und dem Ventilsteuerraum, einen Rücklaufkanal zur Rückführung von Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum zu einem Kraftstoffvorratsbehälter, einen Fluidkanal zur direkten fluidischen Verbindung des Druckraums mit dem Rücklaufkanal und ein Ventil zum Steuern einer Durchflussmenge durch den Fluidkanal.
Direkte fluidische Verbindung bedeutet, dass der Fluidkanal als separater Kanal ausgebildet ist, der ein Ableiten von Kraftstoff aus dem Druckraum ohne den Umweg über die Rücklaufdrossel ermöglicht.
Von einem bekannten Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder eines Dieselmotors unterscheidet sich der vorgeschlagene Injektor vordergründig dadurch, dass ein zusätzlicher Fluidkanal vorgesehen ist, der vom Druckraum abzweigt und diesen mit dem Rücklaufkanal verbindet. Diesem Fluidkanal ist zudem ein Ventil, z. B. ein Piezoventil oder ein Magnetventil, zugeordnet, mit dem die Durchflussmenge durch den Fluidkanal gesteuert werden kann.
Der vorgeschlagene Injektor kann zur Durchführung eines Verfahrens zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors genutzt werden, bei dem ein Nacheinspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder des Dieselmotors mit einem gegenüber einem Haupteinspritzen reduzierten Kraftstoffdruck erfolgt. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen zur Erläuterung eines solchen Verfahrens verwiesen. Mit dem Injektor sind die Vorteile eines solchen Verfahrens entsprechend verbunden.
Mittels des Fluidkanals kann der Kraftstoffdruck im Druckraum der Einspritzdüse bei Bedarf, also z. B. beim Nacheinspritzen, verringert werden, indem Kraftstoff über den Fluidkanal aus dem Druckraum abgeführt wird. Der abgeführte Kraftstoff wird dem Rücklauf zugeführt. Durch die Verringerung des Kraftstoffdrucks im Druckraum der Einspritzdüse kann die Eindringtiefe des nacheingespritzten Kraftstoffs in den Zylinder verringert werden und/oder es kann ein Kontakt zwischen dem Kraftstoff und der Zylinderwandung weitgehend vermieden werden, sodass eine unerwünschte Ölverdünnung ebenfalls verringert werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Injektor eine Steuereinheit aufweisen, die zum Generieren und Ausgeben von Steuersignalen an das Ventil zum Erhöhen und Verringern der Durchflussmenge durch den Fluidkanal in Abhängigkeit eines Einspritzzeitpunkts ausgebildet ist.
Mit anderen Worten kann eine Steuerung der Ventilstellung in Abhängigkeit eines Einspritzzeitpunkts erfolgen, z. B. kann das Ventil kurz vor und/oder während eines Nacheinspritzens geöffnet werden, um den Kraftstoffdruck im Druckraum reduzieren zu können. Während eines Voreinspritzens oder Haupteinspritzens kann das Ventil hingegen geschlossen sein oder werden, um einen höheren Kraftstoffdruck zu gewährleisten, damit eine ordnungsgemäße Gemischaufbereitung und Durchdringung des Brennraums auch bei hohem Zylinderinnendruck realisiert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen 4-Takt-Dieselmotor, der einen Zylinder mit einem Kolben, ein Einlassventil, ein Auslassventil, einen Injektor, ausgebildet zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder und eine Steuereinheit aufweist. Die Steuereinheit ist zum Generieren und Ausgeben von Steuersignalen an den Injektor, das Einlassventil und das Auslassventil ausgebildet, wobei die Steuersignale die Durchführung eines Verfahrens gemäß vorstehender Beschreibung bewirken.
Folglich kann mittels des 4-Takt-Dieselmotors eines der beschriebenen Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors oder einer Kombination dieser Verfahren durchgeführt werden. Die Vorteile des 4-Takt-Dieselmotors entsprechen daher den Vorteilen dieser Verfahren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Injektor des 4-Takt-Dieselmotors gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem 4-Takt-Dieselmotor gemäß vorstehender Beschreibung. Auf die obige nähere Beschreibung und die genannten Vorteile wird verwiesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, das Befehle umfasst, die bewirken, dass der beschriebene 4-Takt-Dieselmotor ein Verfahren gemäß vorstehender Beschreibung ausführt.
Unter einem Computerprogramm kann ein auf einem geeigneten Medium speicherbarer und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode verstanden werden. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise ein in einem Steuergerät verbauter nichtflüchtiger Speicher, eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet erfolgen oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines Zylinders mit Kolben bei einem Nacheinspritzen gemäß dem Stand der Technik;
1b eine schematische Darstellung eines Zylinders mit Kolben bei einem Nacheinspritzen mit verändertem Zeitpunkt des Nacheinspritzens;
2a eine schematische Darstellung eines Zylinders mit Kolben bei einem Nacheinspritzen gemäß dem Stand der Technik;
2b eine schematische Darstellung eines Zylinders mit Kolben bei pulsierendem Nacheinspritzen;
3a eine schematische Darstellung eines Injektors gemäß dem Stand der Technik im Ruhezustand;
3b eine schematische Darstellung des Injektors aus 3a während einer Einspritzung;
4 eine schematische Darstellung eines Injektors mit Fluidkanal; und
5 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit 4-Takt-Dieselmotor.

In 1 ist ein Zylinder 2 eines 4-Takt-Dieselmotors 1 schematisch dargestellt, welcher gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik betrieben wird. Der 4-Takt-Dieselmotor kann beispielsweise in einem Personenkraftwagen angeordnet sein.
Während des Kraftstoffverbrennungsvorgangs bewegt sich der Kolben 3 im Zylinder 2 auf und ab. Die Kontaktfläche zwischen Kolben 3 und innerer Wandung des Zylinders 2 wird mittels der Kolbenringe 9 abgedichtet. Der Kraftstoffverbrennungsvorgang läuft wie üblich in vier Phasen, den vier Takten, ab.
Während des Ansaugtakts bewegt sich der Kolben vom oberen Totpunkt TDC bis zum unteren Totpunkt BDC, wobei das Einlassventil 6 geöffnet ist, damit Luft über den Einlass in den Verbrennungsraum 25 gelangen kann. Der Kurbelwinkel im Ansaugtakt liegt zwischen 0 °KW und 180 °KW. An den Ansaugtakt schließt sich zwischen einem Kurbelwinkel von 180 °KW bis 360 °KW ein Verdichtungstakt an, in dem sich der Kolben 3 wieder in Richtung oberer Totpunkt TDC bewegt und die zuvor angesaugte Luft verdichtet wird. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts TDC wird Kraftstoff 2 mittels des Injektors 10 in den Verbrennungsraum 25 eingespritzt. Dabei kann das Einspritzen des Kraftstoffs 4 in eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung aufgeteilt sein. Weiterer Unterteilungen sind möglich.
Im sich anschließenden Arbeitstakt kommt es zu einer explosionsartigen Verbrennung des Kraftstoffs 4 und der Kolben 3 wird infolge des hohen Drucks wieder nach unten zum unteren Totpunkt BDC bewegt. Der Kurbelwinkel liegt im Arbeitstakt zwischen 360 °KW und 540 °KW. Im letzten Takt, dem Ausstoßtakt, bewegt sich der Kolben 3 wieder nach oben, d. h. zum oberen Totpunkt TDC. Das Auslassventil 5 wird geöffnet, sodass die Verbrennungsgase durch den Auslass 7 aus dem Verbrennungsraum 25 strömen können. Der Kurbelwinkel beträgt im Ausstoßtakt zwischen 540 °KW und 720 °KW.
Um unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei niedriger Motorlast, nach einem Kaltstart etc., die Abgastemperatur erhöhen zu können, um z. B. eine Regeneration eines Partikelfilters effektiv durchführen zu können, kann der Anteil oxidierbarer Bestandteile im Abgasstrom erhöht werden. Hierfür kann eine Nacheinspritzung von Kraftstoff 4 erfolgen.
Nach dem Stand der Technik erfolgt eine solche Nacheinspritzung, wie in 1 dargestellt, zum Ende des Arbeitstakts, d. h. bei einem Kurbelwinkel von ca. 500 °KW, bei sich senkendem Kolben 3. Aufgrund des sich vergrößernden Volumens des Verbrennungsraums 25 ist der Zylinderinnendruck zu diesem Zeitpunkt vergleichsweise gering. Dies führt dazu, dass die Einspritzstrahlen des Kraftstoffs 4 auf wenig Widerstand treffen und sich bis zur inneren Wandung des Zylinders 4 ausbreiten können. Dies wiederum führt dazu, dass Kraftstoff 4 vermehrt in das Motoröl eingetragen wird und es zu einer sog. Ölverdünnung mit den damit verbundenen, eingangs beschriebenen Nachteilen kommt.
Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen, das Nacheinspritzen zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich erst im Ausstoßtakt durchzuführen, d. h. zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts BDC zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts TDC zu Beginn des Ansaugtakts durch den Kolben 3. Diese Situation ist in 1b dargestellt. Der Kurbelwinkel ist folglich größer und beträgt zwischen 540 °KW und 720 °KW, bevorzugt zwischen 630 °KW und 720 °KW, weiter bevorzugt zwischen 660 °KW und 700 °KW, z. B. ca. 675 °KW wie in 1b gezeigt.
Zu diesem gegenüber dem Stand der Technik geänderten späteren Zeitpunkt der Nacheinspritzung bewegt sich der Kolben 3 also bereits wieder in Richtung oberer Totpunkt TDC. Dies bewirkt, dass die Einspritzstrahlen des Kraftstoffs 4 vorwiegend auf die Oberseite des Kolbens 3, auf die sog. Kolbenmulde auftreffen. Ein Kontakt des Kraftstoffs 4 mit der inneren Wandung des Zylinders 2 kann weitgehend vermieden werden. Eine Ölverdünnung findet folglich nicht oder allenfalls in geringem Ausmaß statt.
2a ist identisch mit 1a und zeigt folglich zum Vergleich eine Nacheinspritzung gemäß dem Stand der Technik.
Zur Verringerung der Ölverdünnung wird vorgeschlagen, das Nacheinspritzen pulsierend durchzuführen, d. h. die nacheinzuspritzende Kraftstoffmenge auf mehrere Nacheinspritzpulse aufzuteilen (siehe 2b). Hierdurch wird eine geringere Einspritzmasse pro Einspritzpulsstrahl transportiert, so dass sich die Eindringtiefe des Kraftstoffs 4 in den Verbrennungsraum 25 reduziert und auch der Kontakt des Kraftstoffs 4 mit der inneren Wandung des Zylinders 2 verringert wird. Dies führt zu einer Verringerung der Ölverdünnung. Der Zeitpunkt der pulsierenden Nacheinspritzung kann wie beim Stand der Technik gewählt sein, d. h. zum Ende des Arbeitstakts, wie in 2b gezeigt. Optional kann die pulsierende Nacheinspritzung auch zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich wie unter Bezugnahme auf 1b vorstehend erläutert, erfolgen, so dass die Ölverdünnung in noch größerem Ausmaß verringert werden kann.
3 zeigt einen Injektor 10 zum Einspritzen von Kraftstoff 4 in einen Zylinder 2 eines Dieselmotors 1 gemäß dem Stand der Technik. Der Kraftstoff 4 ist jeweils als schwarze Fläche dargestellt. In 3a ist der Injektor 10 im Ruhezustand gezeigt, d. h. während keine Einspritzung von Kraftstoff 4 stattfindet. 3b zeigt den Injektor 10 während der Einspritzung. Im Folgenden wird die Funktionsweise des Injektors 10 gemäß dem Stand der Technik erläutert.
Über einen Zulaufkanals 14 gelangt Kraftstoff 4 zur Einspritzdüse 11 sowie über eine Zulaufdrossel 20 in den Ventilsteuerraum 13. Der Ventilsteuerraum 13 ist mit einem Rücklaufkanal 15 fluidleitend verbunden, wobei der Rücklauf des Kraftstoffs 4 mittels einer Rücklaufdrossel 21 gesteuert werden kann. Das Öffnen und Schließen der Rücklaufdrossel 21 kann mittels eines Kugelventils 24 erfolgen
Der Ventilsteuerraum 13 wird vom Ventilkolben 22 begrenzt, an dem die Einspritzdüse 11 angeordnet ist. Die Einspritzdüse 11 sorgt dafür, dass zwischen den Einspritzungen kein Kraftstoff 4 in den Verbrennungsraum 25 gelangt. Der Querschnitt der Einspritzdüse 11 verjüngt sich in Richtung Verbrennungsraum 25.
Die Einspritzdüse 11 wird von einem Gehäuse 23 derart umgeben, dass ein Druckraum 12 ausgebildet wird. Der im Druckraum 12 vorherrschende Druck beeinflusst direkt den Einspritzdruck an der Spitze der Einspritzdüse 11 und wirkt sich folglich auf die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs 4 im Verbrennungsraum 25 aus.
Ist die Rücklaufdrossel 21 geschlossen, wirkt auf die Stirnfläche des Ventilkolbens 22 eine hydraulische Kraft, die größer ist als die hydraulische Kraft auf die Einspritzdüse 11 im Bereich des Druckraums 12. Folglich wird die Einspritzdüse 11 in Richtung Verbrennungsraum 25 gedrückt und es kann kein Kraftstoff 4 in den Verbrennungsraum 25 gelangen (3a).
Wird die Rücklaufdrossel 21 geöffnet, sinkt der Druck im Ventilsteuerraum 13 und folglich auch der auf die Stirnfläche des Ventilkolbens 22 einwirkende Druck. Ist der Druck im Ventilsteuerraum 13 geringer als im Druckraum 12, öffnet die Einspritzdüse 11 und Kraftstoff 4 wird in den Verbrennungsraum 25 eingespritzt (3b). Der Druck im Druckraum 12 wird hingegen üblicherweise nicht verändert, so dass das Einspritzen stets mit dem gleichen Druck erfolgt.
Zur näheren Erläuterung eines Injektors 10 gemäß dem Stand der Technik wird auf die 1 bis 3 samt zugehöriger Beschreibung der DE 199 37 559 A1 verwiesen.
4 zeigt einen modifizierten Injektor 10, bei dem der Druck im Druckraum 12 je nach Bedarf geändert werden kann. Hierfür ist ein Fluidkanal 16 vorgesehen, der den Druckraum 12 direkt fluidisch mit dem Rücklaufkanal verbindet, so dass Kraftstoff 4 aus dem Druckraum 12 abgeführt und der Druck im Druckraum 12 verringert werden kann. Im Übrigen ist der Injektor 10 gemäß dem Stand der Technik aufgebaut.
Zur Steuerung der Durchflussmenge durch den Fluidkanal 16 ist in Ventil 17 vorgesehen, dass im Ausführungsbeispiel als Piezoventil ausgebildet ist. Die Ventilstellung dieses Ventils 17 und damit die Durchflussmenge werden mittels der Steuereinheit 18 vorgegeben. Hierzu generiert die Steuereinheit 18 Steuersignale 19a, die ein Erhöhen und Verringern der Durchflussmenge durch den Fluidkanal 16 in Abhängigkeit des Einspritzzeitpunkts bewirken, und gibt diese Steuersignale 19a an das Ventil 17 aus.
Wird die Durchflussmenge im Fluidkanal 16 erhöht, so verringert sich der Druck im Druckraum 12. Dies kann während eines Nacheinspritzens genutzt werden, um das Nacheinspritzen mit einem gegenüber einem Haupteinspritzen reduzierten Kraftstoffdruck durchführen zu können. Durch den verringerten Druck können die Eindringtiefe des Kraftstoffs 4 in den Verbrennungsraum 25 und der Kontakt des Kraftstoffs 4 mit der inneren Wandung des Zylinders 2 reduziert werden. Dies führt zu einer Verringerung der Ölverdünnung.
Der Zeitpunkt der Nacheinspritzung kann wie beim Stand der Technik gewählt sein, d. h. zum Ende des Arbeitstakts, wie in 1a gezeigt. Optional kann die Nacheinspritzung auch zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich wie unter Bezugnahme auf 1b vorstehend erläutert, erfolgen, so dass die Ölverdünnung in noch größerem Ausmaß verringert werden kann. Weiter optional kann die Nacheinspritzung pulsierend erfolgen.
5 zeigt ein beispielhaftes Kraftfahrzeug 100 mit einem 4-Takt-Dieselmotor 1. Das Kraftfahrzeug 100 ist als Personenkraftwagen ausgebildet. Optional kann es sich um ein Hybridfahrzeug handeln, das auch mittels eines Elektromotors (nicht dargestellt) antreibbar ist.
Der Dieselmotor 1 verfügt über mindestens einen Zylinder 2 mit einem Kolben 3, wobei vorzugsweise mehrere Zylinder 2, z. B. vier, sechs oder acht Zylinder 2, mit analogem Aufbau vorhanden sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 5 nur ein Zylinder 2 gezeigt.
Neben dem Zylinder 2 mit Kolben 3 weist der Dieselmotor 1 ein Einlassventil 6 und ein Auslassventil 5 auf, die in einem Einlass 8 bzw. einem Auslass 7 angeordnet sind und diesen öffnen bzw. verschließen können. Außerdem ist ein Injektor 10 vorhanden, mit dem Kraftstoff 4 in den Verbrennungsraum 25 eingespritzt werden kann. Der Injektor 10 kann beispielsweise wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 3a, 3b und 4 beschrieben ausgebildet sein.
Weiterhin verfügt der Dieselmotor 1 über eine Steuereinheit 18. Die Steuereinheit 18 generiert Steuersignale 19a, 19b, 19c und gibt diese an den Injektor 10, das Einlassventil 6 und das Auslassventil 5 aus, so dass eines der vorstehend erläuterten Verfahren ausgeführt wird. Mit anderen Worten bewirken die Steuersignale 19a, 19b, 19c die Durchführung eines Kraftstoffverbrennungsvorgangs in dem Zylinder 2 und ein Nacheinspritzen von Kraftstoff 4, wobei das Nacheinspritzen bei geöffnetem Auslassventil 5 zu einem Zeitpunkt erfolgt, der zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts BDC zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts TDC zu Beginn des Ansaugtakts liegt und/oder wobei die nacheinzuspritzende Kraftstoffmenge auf mehrere Nacheinspritzpulse aufgeteilt wird und/oder wobei das Nacheinspritzen mit einem gegenüber einem Haupteinspritzen reduzierten Kraftstoffdruck erfolgt.
Insofern in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen ein Zylinder, ein Ventil, etc. genannt wird, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass auch mehrere Zylinder, Ventile etc. vorgesehen und miteinander kombiniert sein können.
Bezugszeichenliste

1: Dieselmotor
2: Zylinder
3: Kolben
4: Kraftstoff
5: Auslassventil
6: Einlassventil
7: Auslass
8: Einlass
9: Kolbenring
10: Injektor
11: Einspritzdüse
12: Druckraum
13: Ventilsteuerraum
14: Zulaufkanal
15: Rücklaufkanal
16: Fluidkanal
17: Ventil
18: Steuereinheit
19a, 19b, 19c: Steuersignal
20: Zulaufdrossel
21: Rücklaufdrossel
22: Ventilkolben
23: Gehäuse
24: Kugelventil
25: Verbrennungsraum
100: Kraftfahrzeug
TDC: top dead center, oberer Totpunkt
BDC: bottom dead center, unterer Totpunkt
KW: Kurbelwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19937559 A1 [0006, 0064]

Claims

Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors (1), aufweisend: - Durchführen eines Kraftstoffverbrennungsvorgangs in einem Zylinder (2) des Dieselmotors (1) mit einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt, wobei ein Kolben (3) des Zylinders (2) zu Beginn des Ansaugtakts und zu Beginn des Arbeitstakts an einem oberen Totpunkt (TDC) des Zylinders (2) und zu Beginn des Verdichtungstakts und zu Beginn des Ausstoßtakts an einem unteren Totpunkt (BDC) des Zylinders (2) steht, und - Nacheinspritzen von Kraftstoff (4) bei geöffnetem Auslassventil (5) in den Zylinder (2) des Dieselmotors (1) zu einem Zeitpunkt, der zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts (BDC) zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts (TDC) zu Beginn des Ansaugtakts durch den Kolben (3) dieses Zylinders (2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Nacheinspritzen des Kraftstoffs (4) bei einem Kurbelwinkel (KW) zwischen 600 °KW und 700 °KW, beispielsweise zwischen 630 °KW und 680 °KW erfolgt.
Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors (1), aufweisend: - Durchführen eines Kraftstoffverbrennungsvorgangs in einem Zylinder (2) des Dieselmotors (1) mit einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt, wobei ein Kolben (3) des Zylinders (2) zu Beginn des Ansaugtakts und zu Beginn des Arbeitstakts an einem oberen Totpunkt (TDC) des Zylinders (2) und zu Beginn des Verdichtungstakts und zu Beginn des Ausstoßtakts an einem unteren Totpunkt (BDC) des Zylinders (2) steht, und - Nacheinspritzen von Kraftstoff (4) in den Zylinder (2) des Dieselmotors (1), wobei die nacheinzuspritzende Kraftstoffmenge auf mehrere Nacheinspritzpulse aufgeteilt wird.
Verfahren zur Erhöhung des Anteils oxidierbarer Bestandteile in einem Abgasstrom eines 4-Takt-Dieselmotors (1), aufweisend: - Durchführen eines Kraftstoffverbrennungsvorgangs in einem Zylinder (2) des Dieselmotors (1) mit einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt, wobei ein Kolben (3) des Zylinders (2) zu Beginn des Ansaugtakts und zu Beginn des Arbeitstakts an einem oberen Totpunkt (TDC) des Zylinders (2) und zu Beginn des Verdichtungstakts und zu Beginn des Ausstoßtakts an einem unteren Totpunkt (BDC) des Zylinders (2) steht, und - Nacheinspritzen von Kraftstoff (4) in den Zylinder (2) des Dieselmotors (1), wobei das Nacheinspritzen mit einem gegenüber einem Haupteinspritzen reduzierten Kraftstoffdruck erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die nacheinzuspritzende Kraftstoffmenge auf mehrere Nacheinspritzpulse aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Nacheinspritzen des Kraftstoffs (4) bei geöffnetem Auslassventil (5) zu einem Zeitpunkt erfolgt, der zwischen dem Passieren des unteren Totpunkts (BDC) zu Beginn des Ausstoßtakts und dem Erreichen des oberen Totpunkts (TDC) zu Beginn des Ansaugtakts durch den Kolben (3) dieses Zylinder (2) liegt.
Injektor (10) zum Einspritzen von Kraftstoff (4) in einen Zylinder (2) eines Dieselmotors (1), aufweisend: - eine Einspritzdüse (11) mit einem der Einspritzdüse (11) zugeordneten Druckraum (12), - einen Ventilsteuerraum (13), - einen Zulaufkanal (14) zur Zuführung von Kraftstoff (4) zu dem Druckraum (12) und dem Ventilsteuerraum (13), - einen Rücklaufkanal (15) zur Rückführung von Kraftstoff (4) aus dem Ventilsteuerraum (13) zu einem Kraftstoffvorratsbehälter, - einen Fluidkanal (16) zur direkten fluidischen Verbindung des Druckraums (12) mit dem Rücklaufkanal (15), - ein Ventil (17) zum Steuern einer Durchflussmenge durch den Fluidkanal (16).
Injektor (10) gemäß Anspruch 7, aufweisend: - eine Steuereinheit (18), ausgebildet zum Generieren und Ausgeben von Steuersignalen (19a) an das Ventil (17) zum Erhöhen und Verringern der Durchflussmenge durch den Fluidkanal (16) in Abhängigkeit eines Einspritzzeitpunkts.
4-Takt-Dieselmotor (1), aufweisend: - einen Zylinder (2) mit einem Kolben (3), - ein Einlassventil (6), - ein Auslassventil (5), - einen Injektor (10), ausgebildet zum Einspritzen von Kraftstoff (4) in den Zylinder (2) und - eine Steuereinheit (18), ausgebildet zum Generieren und Ausgeben von Steuersignalen (19a, 19b, 19c) an den Injektor (10), das Einlassventil (6) und das Auslassventil (5), wobei die Steuersignale (19a, 19b, 19c) die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bewirken.
4-Takt-Dieselmotor (1) nach Anspruch 9, wobei der Injektor (10) gemäß Anspruch 7 oder 8 ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (100) mit einem 4-Takt-Dieselmotor (1) nach Anspruch 9 oder 10.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass der 4-Takt-Dieselmotor (1) nach Anspruch 9 oder 10 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt.