DE102021101413A1

DE102021101413A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschinenanordnung während eines Spülzustandes

Info

Publication number: DE102021101413A1
Application number: DE102021101413.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Wunderlich; Hans Guenter Quix; Jörg Kemmerling
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschinenanordnung (33) beschrieben. Die Verbrennungsmaschinenanordnung (33) umfasst eine Verbrennungsmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (4), einen Einlass-Strömungskanal (2), einen Auslass-Strömungskanal (3), eine stromabwärts des Auslass-Strömungskanals (3) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (28) und mindestens einen Brennstoffinjektor (11, 31), wobei der Zylinder (4) einen Brennraum (8), mindestens ein mit dem Einlass-Strömungskanal (2) strömungstechnisch verbundenes Einlassventil (12) und mindestens ein mit dem Auslass-Strömungskanal (3) strömungstechnisch verbundenes Auslassventil (13) umfasst. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass während eines Betriebszustandes, bei welchem mindestens das Auslassventil (13) geöffnet ist, Kraftstoff in einen den Einlass-Strömungskanal, den Brennraum und den Auslass-Strömungskanal durchströmenden Luftstrom (17, 19, 32) eingespritzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschinenanordnung, beispielsweise einer Verbrennungsmotoranordnung oder einer Generatoranordnung während eines Betriebszustandes, in welchem der Brennraum gespült wird (Scavenging) oder nach der Verbrennung während des Ausschiebetaktes. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Turbolader, eine Verbrennungsmaschinenanordnung und ein Fahrzeug, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug.
Zukünftige Anforderungen an zulässige Emissionsgrenzwerte stellen für diesel- oder benzinbetriebene Verbrennungsmaschinen mit der derzeitigen Standardausstattung in Bezug auf das verwendete Auflade-System und Abgasrückführungssystem eine Herausforderung dar. Insbesondere führt eine Vereinbarkeit eines Betriebs mit den zulässigen Stickoxidemissionen dazu, dass unter Umständen eine Abgasrückführung bis hin zu einem Betrieb unter voller Last verwendet werden muss. Eine solche Einstellung bzw. ein solcher Betrieb reduziert zwar auf der einen Seite die Stickoxidemissionen, führt aber auf der anderen Seite zu einer erhöhten Feinstaubemission. Daher sind Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter, schneller beladen und müssen häufiger regeneriert werden. Allerdings sind die erforderlichen Bedingungen für eine Regenerierung, insbesondere die erforderliche Abgastemperatur, in Situationen, in welchen das Fahrzeug nur kurze Strecken zurücklegt, häufig nicht erfüllt. Aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit und der niedrigen Last und damit verbunden der niedrigen Abgastemperatur ermöglichen manche Fahrmanöver keine oder nur eine begrenzt effiziente Partikelfiltergeneration.
In dem Dokument DE 10 2018 003 529 A1 wird eine Injektoranordnung an einem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben, welche so ausgestaltet ist, dass Kraftstoffstrahlen in verschiedenen Spitzwinkeln in die Brennkammer eingespritzt werden können, wodurch eine Benetzung von Brennraumwänden mit Kraftstoff verringert wird und Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC-Emissionen) sowie Partikelemissionen verringert werden. Dabei ist der Injektor so ausgebildet, dass in den auslassseitigen, kolbennahen ersten Kammerbereich eine kleinere Kraftstoffmenge eingespritzt wird als in den einlassseitigen, kolbennahen zweiten Kammerbereich. Es wird also mit anderen Worten, Kraftstoff zum Einlassventil hin eingespritzt.
Eine weitere Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in dem Dokument DE 10 2009 002 323 A1 beschrieben. Diese ist dazu ausgebildet, Kraftstoff in eine Einspritzrichtung, die von dem Einlassventilbereich zu dem Auslassventilbereich gerichtet ist, von der Mittelachse des Zylinders gesehen einzuspritzen. Hierdurch soll die Durchmischung des Luft-Kraftstoff-Gemischs verbessert werden.
In dem Dokument DE 10 2013 012 654 B4 wird ein Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung beschrieben. Dieser umfasst eine erste Düsenanordnung mit wenigstens einem Einspritzloch für das Ausbringen eines ersten flüssigen Kraftstoffs und eine zweite Düsenanordnung mit wenigstens einem Einspritzloch für das Ausbringen eines zweiten gasförmigen Kraftstoffs.
In dem Dokument DE 10 2016 121 896 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Saugrohrinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in das Saugrohr beschrieben.
Erfolgt eine Brennstoffinjektion zur Abgasnachbehandlung kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunktes, also als späte Nachinjektion, so hat dies den Nachteil, dass Kraftstoff die Zylinderwand berührt und die Gefahr einer Ölverdünnung besteht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der niedrige Zylinderdruck beim Erreichen des unteren Totpunktes in Verbindung mit dem hohen Injektionsdruck zu einer hohen Eindringtiefe der Injektionsstrahlen in den Zylinder führt.
Vor dem oben beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschinenanordnung zur Verfügung zu stellen, welches eine Erhöhung des Kohlenwasserstoffs-Anteils in dem Abgas zur Sicherstellung einer exothermen Reaktion in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung bewirkt und eine Ölverdünnung zumindest reduziert. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine entsprechend vorteilhafte Verbrennungsmaschinenanordnung, einen Turbolader und ein vorteilhaftes Fahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschinenanordnung gemäß Patentanspruch 1, einen Turbolader gemäß Patentanspruch 13, eine Verbrennungsmaschinenanordnung gemäß Patentanspruch 14 und ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschinenanordnung bezieht sich auf eine Verbrennungsmaschinenanordnung, welche eine Verbrennungsmaschine mit mindestens einem Zylinder, einen Einlass-Strömungskanal, einen Auslass-Strömungskanal, eine stromabwärts des Auslass-Strömungskanals angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung und mindestens einen Brennstoffinjektor umfasst. Die Verbrennungsmaschine kann als Motor oder Generator ausgestaltet sein. Der Zylinder umfasst einen Brennraum, mindestens ein mit dem Einlass-Strömungskanal strömungstechnisch verbundenes Einlassventil und mindestens ein mit dem Auslass-Strömungskanal strömungstechnisch verbundenes Auslassventil. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während eines Betriebszustandes, bei welchem mindestens das Auslassventil geöffnet ist, vorzugsweise das Einlassventil und das Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind, also gleichzeitig zumindest teilweise geöffnet sind, Kraftstoff in einen den Einlass-Strömungskanal, den Brennraum und den Auslass-Strömungskanal durchströmenden Luftstrom eingespritzt wird. Dabei kann der Kraftstoff stromaufwärts des Einlassventils und/oder stromabwärts des Einlassventils in den Luftstrom eingespritzt werden. Luftstrom bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das den Einlass-Strömungskanal, den Brennraum und den Auslass-Strömungskanal durchströmende Fluid Luft umfasst. Es muss also nicht ausschließlich aus Luft bestehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass durch das Einspritzen von Kraftstoff nach der Verbrennung während des Ausschiebetaktes oder während des Spülens der Brennkammer, sogenanntes Scavenging, der Kohlenwasserstoff-Anteil in dem Abgas erhöht wird und damit eine exotherme Reaktion in der Abgasnachbehandlungseinrichtung sichergestellt wird. Insbesondere kann eine zusätzliche Kraftstoffinjektion auf das heiße Auslassventil zu einer Kohlenwasserstoff-Erhöhung im Abgasstrom führen, die wiederum die zuvor beschriebene exotherme Reaktion und deren Vorteile mit sich bringt.
Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter, und/oder um einen Dieseloxidationskatalysator handeln. Durch den durch das Einspritzen erhöhten Kohlenwasserstoff-Anteil in dem Abgas wird eine exotherme Reaktion bewirkt, beispielsweise in einem Dieseloxidationskatalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Damit wird die Abgastemperatur erhöht und auf diese Weise die für eine Regeneration eines Partikelfilters erforderliche Abgastemperatur erzielt.
Durch das Einspritzen des Kraftstoffes bzw. Brennstoffes während des Spülens wird einer Benetzung der Brennraumwände mit Kraftstoff vorgebeugt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat damit den Vorteil, dass es eine Ölverdünnung vermeidet und damit die Ölwechselintervalle erhöht. Darüber hinaus begünstigt das erfindungsgemäße Verfahren eine verlängerte Lebensdauer der Verbrennungsmaschine.
In einer vorteilhaften Variante wird Kraftstoff stromaufwärts des Einlassventils in den Luftstrom eingespritzt. Dabei kann der Kraftstoff zum Beispiel in den Einlass-Strömungskanal eingespritzt werden. Insbesondere kann der Einlass-Strömungskanal ein stromaufwärts des Einlassventils angeordnetes Saugrohr umfassen und der Kraftstoff kann in dieser Variante in das Saugrohr eingespritzt werden. Ein entsprechender Brennstoffinjektor kann in dem Einlass-Strömungskanal bzw. in dem Saugrohr angeordnet sein.
In einer weiteren Variante, in welcher ebenfalls Kraftstoff stromaufwärts des Einlassventils in den Luftstrom eingespritzt wird, umfasst die Verbrennungsmaschinenanordnung einen stromaufwärts des Einlassventils angeordneten Lader, zum Beispiel einen Turbolader, mit einem Kompressor. In diese Variante kann der Kraftstoff in den Kompressor, also in den durch den Kompressor strömenden Luftstrom eingespritzt werden. Der Kompressor kann in diesem Fall einen hierzu ausgelegten Brennstoffinjektor aufweisen. Indem Kraftstoff bereits in dem Kompressor mit der dort verdichteten Luft vermischt wird und anschließend während des Spülzustandes über das Einlassventil und das Auslassventil zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitet wird, wird einerseits der erforderliche Kohlenwasserstoff-Anteil dem Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung gestellt und gleichzeitig das Risiko einer Ölverdünnung vermieden.
In einer weiteren Variante wird Kraftstoff stromabwärts des Einlassventils in den Luftstrom eingespritzt. Vorteilhafterweise wird der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, zum Beispiel mittels eines innerhalb des Brennraumes angeordneten Brennstoffinjektors. Vorzugsweise weist das Auslassventil eine dem Brennraum zugewandte Innenseite und eine dem Brennraum abgewandte Außenseite auf. Der Kraftstoff wird bevorzugt so in den Brennraum eingespritzt, dass der Kraftstoff an die Außenseite des Auslassventils und/oder in den Auslass-Strömungskanal gespritzt wird. Optimalerweise wird der Kraftstoff ausschließlich an die Außenseite des Auslassventils und/oder in den Auslass-Strömungskanal gespritzt. Dadurch wird kein Brennstoff an eine Innenwand des Brennraums gespritzt und eine dadurch potenziell verursachte Ölverdünnung vermieden.
Zum Einspritzen des Kraftstoffs kann ein in den Brennraum hineinragender Brennstoffinjektor mit mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbaren Einspritzdüsen, beispielsweise ein Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor, verwendet werden. Der Injektor umfasst vorzugsweise eine Düse, welche eine innere und eine äußere Nadel aufweist. Die Nadeln können getrennt voneinander betrieben werden. Die Nadeln verschließen oder öffnen die für sie ausgelegten unterschiedlichen Düsenlöcher, beispielsweise Düsenlochreihen, welche sich durch unterschiedliche Einspritzwinkel und/oder einen unterschiedlichen Düsenlochquerschnitt und/oder eine unterschiedliche Düsenlochform auszeichnen können. Dabei kann mindestens eine zum Einspritzen des Kraftstoffs verwendete Injektionsdüse des Brennstoffinjektors eine Mittelachse aufweisen, die so ausgerichtet ist, dass sie eine durch die Auslassöffnung des Zylinders aufgespannte Ebene im Bereich der Auslassöffnung schneidet. Mit anderen Worten ist die verwendete Injektionsdüse so ausgelegt, dass sie eine Einspritzrichtung in Richtung der Auslassöffnung aufweist bzw. dazu ausgelegt ist, Kraftstoff in die Auslassöffnung einzuspritzen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zur Ausführung des Verfahrens gegebenenfalls ein entsprechender Brennstoffinjektor, zum Beispiel ein Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor, in dem Brennraum nachgerüstet werden muss, ansonsten aber keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind.
Vorzugsweise umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Partikelfilter und der Partikelfilter wird infolge des Einspritzens des Kraftstoffes regeneriert. Vorzugsweise ist stromaufwärts des Partikelfilters ein Dieseloxidationskatalysator angeordnet.
Der erfindungsgemäße Turbolader umfasst eine Turbine und einen Kompressor. Der Kompressor umfasst einen Brennstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in komprimierte Ladeluft. Der erfindungsgemäße Turbolader eignet sich zur Ausführung des bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung umfasst eine Verbrennungsmaschine, zum Beispiel einen Motor oder Generator, mit mindestens einem Zylinder, einen Einlass-Strömungskanal, einen Auslass-Strömungskanal, eine stromabwärts des Auslass-Strömungskanals angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung und mindestens einen Brennstoffinjektor. Der Zylinder umfasst einen Brennraum, mindestens ein mit den Einlass-Strömungskanal strömungstechnisch verbundenes Einlassventil und mindestens ein mit dem Auslass-Strömungskanal strömungstechnisch verbundenes Auslassventil. Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung ist zur Ausführung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt. Sie kann insbesondere eine entsprechende Steuervorrichtung umfassen.
Weiterhin kann die Verbrennungsmaschinenanordnung einen Lader, zum Beispiel einen erfindungsgemäßen Turbolader, umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Verbrennungsmaschinenanordnung einen Kraftstoffinjektor mit mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbaren Einspritzdüsen, beispielsweise einen einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor, zum Beispiel einen in den Brennraum hineinragenden Kraftstoffinjektor mit den oben bereits beschriebenen Merkmalen und Eigenschaften, aufweisen. Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung hat die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und Vorteile.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung. Bei dem Fahrzeug kann es sich zum Beispiel um ein Kraftfahrzeug, ein Schiff oder ein Schienenfahrzeug handeln. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich zum Beispiel um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Bus, einen Kleinbus, ein Moped oder ein Motorrad handeln.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

1 zeigt schematisch einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschinenanordnung während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt eines Teilbereichs des in der 1 gezeigten Zylinders.
3 zeigt schematisch einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor in dessen Betriebsstellung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt schematisch eine Variante einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschinenanordnung.
5 zeigt schematisch einen Zylinder bei der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer in der 4 gezeigten Ausführungsvariante.
6 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Turbolader der in der 4 gezeigten Verbrennungsmaschinenanordnung im Detail.
7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.

Eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine entsprechend ausgestaltete erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung wird im Folgenden anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Die Figur zeigt eine Verbrennungsmaschine 1, einen Einlass-Strömungskanal 2 und einen Auslass-Strömungskanal 3. Die gezeigte Verbrennungsmaschine 1, bei der es sich zum Beispiel um einen Verbrennungsmotor handeln kann, umfasst einen Zylinder 4 und eine mit einem Zylinderkolben 7 über eine Pleuelstange 6 verbundene Kurbelwelle 5. Der Zylinder 4 umfasst weiterhin einen Brennraum 8 und einen Zylinderkopf 9. Die Bewegung des Kolbens 7 in dem Zylinder 4 ist durch einen Pfeil 10 gekennzeichnet. Die Drehbewegung der Kurbelwelle 5 ist durch einen Pfeil 16 gekennzeichnet.
Der Zylinderkopf 9, welcher den Brennraum 8 von oben abschließt, umfasst mindestens ein Einlassventil 12, welches strömungstechnisch mit dem Einlass-Strömungskanal 2 verbunden ist, und mindestens ein Auslassventil 13, welches strömungstechnisch mit dem Auslass-Strömungskanal 3 verbunden ist. Das Auslassventil 13 weist eine zum Brennraum 8 hin gerichtete Innenseite 14 und eine zum Auslass-Strömungskanal 3 hin gerichtete Außenseite 15 auf. Der Zylinderkopf 9 umfasst weiterhin eine in den Brennraum 8 hinein gerichteten Brennstoffinjektor 11, vorzugsweise einen Brennstoffinjektor mit mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbaren Einspritzdüsen, beispielsweise einen Dual-Fuel-Brennstoffinjektor.
Die 2 zeigt einen Ausschnitt des in der 1 gezeigten Zylinderkopfes 9 in einer vergrößerten Darstellung. Die 3 zeigt die Spitze des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 11 in einer vergrößerten Darstellung.
Im Rahmen der in den 1 bis 3 gezeigten ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während eines Betriebszustandes der Verbrennungsmaschinenanordnung, konkret des Zylinders 4, bei welchem das Einlassventil 12 und das Auslassventil 13 gleichzeitig zumindest teilweise geöffnet sind, wie in den 1 und 2 gezeigt, Kraftstoff in einen den Einlass-Strömungskanal 2, den Brennraum 8 und den Auslass-Strömungskanal 3 durchströmenden Luftstrom eingespritzt. Der durch den Einlass-Strömungskanal 2 in den Brennraum 8 strömende Luftstrom ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Der eingespritzte Kraftstoff ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 18 und das entstehenden Luft-Kraftstoff-Gemisch durch Pfeile mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.
Das Einspritzen erfolgt in dieser Variante mittels des Dual-Fuel-Brennstoffinjektors 11. Dabei wird Kraftstoff stromabwärts des Einlassventils 12 so in den Brennraum 8 eingespritzt, dass der Kraftstoff 18 an die Außenseite 15 des Auslassventils 13 und/oder in den Auslass-Strömungskanal 3 gespritzt wird. Die Strömungsrichtung des durch den Einlass-Strömungskanal 2 in den Brennraum 8 hineinströmenden Luftstroms ist mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Das in Folge der Injektion von Kraftstoff 18 gebildete Luft-Kraftstoff-Gemisch verlässt den Brennraum 8 durch den Auslass-Strömungskanal 3 und ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.
Der zum Einspritzen verwendete Dual-Fuel-Brennstoffinjektor 11 weist einen äußeren Injektionskanal 21, auch äußere Nadel genannt, und einen inneren Injektionskanal 22, auch innere Nadel genannt, auf. Der äußere Injektionskanal 21 ist mit mindestens einer Einspritzdüse 23 strömungstechnisch verbunden. Der innere Injektionskanal 22 ist mit einer Anzahl an Einspritzdüsen 24 strömungstechnisch verbunden. Die Einspritzdüsen 23 und 24 können voneinander abweichende Einspritzwinkel aufweisen und können vorzugsweise unabhängig voneinander aktiviert werden.
Bei einem normalen Einspritzvorgang im Rahmen einer Zündung können beide Injektionskanäle 21 und 22 und alle mit diesen verbundenen Einspritzdüsen 23 und 24 verwendet werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt nur eine mit dem äußeren Strömungskanal 21 verbundene Einspritzdüse 23 verwendet, welche in Richtung des Auslassventils 13 gerichtet ist. Vorzugsweise weist die Injektionsdüse 23 eine Mittelachse 25 auf, welche eine Ebene schneidet, die durch eine Auslassöffnung 26 aufgespannt wird. Die Injektionsdüse 23 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie eine Injektion mit einer Einspritzrichtung in Richtung der Auslassöffnung 26 und/oder in Richtung der Außenseite 15 des Auslassventils 13 ermöglicht.
Eine zweite Ausführungsvariante wird im Folgenden anhand der 4 bis 6 näher erläutert. Die in der 4 gezeigte Verbrennungsmaschinenanordnung umfasst eine Verbrennungsmaschine 1 mit den bereits im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Komponenten. Bei dem Brennstoffinjektor 11 muss es sich in dieser Variante nicht zwingend um ein Dual-Fuel-Brennstoffinjektor handeln. Es kann sich hierbei auch um eine andere gängige Einspritzvorrichtung handeln. Stromabwärts des Auslass-Strömungskanals 3 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 28 angeordnet. Diese kann zum Beispiel einen Partikelfilter und einen Dieseloxidationskatalysator umfassen. Weiterhin ist der Auslass-Strömungskanal 3 mit einem erfindungsgemäßen Turbolader 27 verbunden. Der Turbolader 27 umfasst eine Turbine 29, welche strömungstechnisch mit dem Auslass-Strömungskanal 3 verbunden ist, und einen Kompressor 30, mittels welchem Luft in den Einlass-Strömungskanal 2 gesaugt und komprimiert wird.
In der gezeigten Variante ist innerhalb des Kompressors 30 ein Brennstoffinjektor 31 angeordnet. Mittels des Brennstoffinjektors 31 wird Brennstoff bzw. Kraftstoff in die angesaugte und komprimierte Luft eingespritzt. Der auf diese Weise bereits mit Kraftstoff angereicherte Luftstrom ist mit der Bezugsziffer 32 gekennzeichnet und strömt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch den Brennraum 8 zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung 28 und ermöglicht dort eine effiziente Regeneration eines Partikelfilters. Die Strömung des so erzeugten Luft-Kraftstoff-Gemischs 32 durch den Brennraum 8 ist in der 5 gezeigt.
Die 6 zeigt den erfindungsgemäßen Turbolader 27 mit dem Brennstoffinjektor 31 in einer vergrößerten Ansicht. Der Turbolader 27 umfasst eine Welle 34, mittels welcher eine Drehbewegung von der Turbine 29 auf den Kompressor 30 übertragen wird. Die Turbine 29 weist einen Abgaseinlass 35 und einen Abgasauslass 36 auf. Das Turbinengehäuse ist mit der Bezugsziffer 37 und das Turbinenschaufelrad mit der Bezugsziffer 38 gekennzeichnet. Ein Axiallager ist mit der Bezugsziffer 39 und ein Radiallager ist mit der Bezugsziffer 40 gekennzeichnet. Das Kompressorgehäuse ist mit der Bezugsziffer 42 und das Kompressorschaufelrad mit der Bezugsziffer 41 gekennzeichnet. Der Kompressor 30 umfasst zudem einen Lufteinlass 43 und einen Kompressorauslass 44. Ein Brennstoffeinlass 45 führt im Bereich der Welle 34 zu einer Anzahl an Brennstoff-Injektionsdüsen 46, die dazu ausgelegt sind, Brennstoff in den mittels des Kompressors 30 verdichteten Luftstrom einzuspritzen. Damit kann innerhalb des Kompressors 30 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch 32 erzeugt werden, welches dann über den Kompressorauslass 44 zu dem Einlass-Strömungskanal 2 geleitet wird.
In einer weiteren Variante kann anstelle einer Injektion des Kraftstoffes innerhalb des Kompressors 30 eine Saugrohreinspritzung vorgenommen werden. In diesem Fall wird der Kraftstoff an einer geeigneten Position in den Einlass-Strömungskanal 2 eingespritzt und auf diese Weise ein Luft-Kraftstoff-Gemisch stromaufwärts des Einlassventils 12 erzeugt.
Die beschriebenen Varianten verringern das Risiko einer Ölverdünnung erheblich und ermöglichen gleichzeitig eine effiziente Regeneration eines Partikelfilters im Rahmen eines Spülvorganges. Damit wird den eingangs beschriebenen Schwierigkeiten effizient begegnet. Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine homogene Kompressionszündung im Brennraum 8 des Zylinders 4 eingeleitet werden. Bei einer Einspritzung in den Brennraum 8 erfolgt das Einspritzen vorzugsweise unmittelbar vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Zylinders 4.
Die 7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, konkret ein Kraftfahrzeug 20. Das erfindungsgemäße Fahrzeug 20 umfasst eine Verbrennungsmaschinenanordnung 33, beispielsweise eine Verbrennungsmotoranordnung, und ist dazu ausgelegt, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Die Verbrennungsmaschinenanordnung 33 kann dabei wie anhand der 1 bis 3 beschrieben und/oder wie anhand der 4 bis 6 beschrieben, ausgestaltet sein, umfasst also eine Verbrennungsmaschine 1 mit einem Zylinder 4, einen Einlass-Strömungskanal 2, einen Auslass-Strömungskanal 3 und einen Brennstoffinjektor 11, 31. Der Zylinder 1 weist einen Brennraum 8, ein mit dem Einlass-Strömungskanal 2 strömungstechnisch verbundenes Einlassventil 12 und ein mit dem Auslass-Strömungskanal 3 strömungstechnisch verbundenes Auslassventil 13 auf.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmaschine
2: Einlass-Strömungskanal
3: Auslass-Strömungskanal
4: Zylinder
5: Kurbelwelle
6: Pleuelstange
7: Kolben
8: Brennraum
9: Zylinderkopf
10: Bewegung des Kolbens in dem Zylinder
11: Brennstoffinjektor
12: Einlassventil
13: Auslassventil
14: Innenseite
15: Außenseite
16: Drehbewegung der Kurbelwelle
17: Strömungsrichtung Luft
18: Einspritzrichtung Kraftstoff
19: Strömungsrichtung Luft-Kraftstoff-Gemisch
20: Fahrzeug
21: äußerer Injektionskanal
22: innerer Injektionskanal
23: Einspritzdüse
24: Einspritzdüse
25: Mittelachse
26: Auslassöffnung
27: Turbolader
28: Abgasnachbehandlungseinrichtung
29: Turbine
30: Kompressor
31: Brennstoffinjektor
32: Strömungsrichtung Luft-Kraftstoff-Gemisch
33: Verbrennungsmaschinenanordnung
34: Welle
35: Abgaseinlass
36: Abgasauslass
37: Turbinengehäuse
38: Turbinenschaufelrad
39: Axiallager
40: Radiallager
41: Kompressorschaufelrad
42: Kompressorgehäuse
43: Lufteinlass
44: Kompressorauslass
45: Brennstoffeinlass
46: Brennstoff-Injektionsdüsen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018003529 A1 [0003]
DE 102009002323 A1 [0004]
DE 102013012654 B4 [0005]
DE 102016121896 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschinenanordnung (33), welche eine Verbrennungsmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (4), einen Einlass-Strömungskanal (2), einen Auslass-Strömungskanal (3), eine stromabwärts des Auslass-Strömungskanals (3) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (28) und mindestens einen Brennstoffinjektor (11, 31) umfasst, wobei der Zylinder (4) einen Brennraum (8), mindestens ein mit dem Einlass-Strömungskanal (2) strömungstechnisch verbundenes Einlassventil (12) und mindestens ein mit dem Auslass-Strömungskanal (3) strömungstechnisch verbundenes Auslassventil (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Betriebszustandes, bei welchem mindestens das Auslassventil (13) geöffnet ist, Kraftstoff in einen den Einlass-Strömungskanal, den Brennraum und den Auslass-Strömungskanal durchströmenden Luftstrom (17, 19, 32) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Betriebszustandes, bei welchem das Einlassventil (12) und das Auslassventil (13) gleichzeitig geöffnet sind, Kraftstoff in einen den Einlass-Strömungskanal, den Brennraum und den Auslass-Strömungskanal durchströmenden Luftstrom (17, 19, 32) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff stromaufwärts des Einlassventils (12) in den Luftstrom eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff in den Einlass-Strömungskanal (2) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmaschinenanordnung (33) einen stromaufwärts des Einlassventils (12) angeordneten Lader (27) mit einem Kompressor (30) umfasst und Kraftstoff in den Kompressor (30) eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff stromabwärts des Einlassventils (12) in den Luftstrom eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff in den Brennraum (8) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (13) eine dem Brennraum (8) zugewandte Innenseite (14) und eine dem Brennraum (8) abgewandte Außenseite (15) aufweist und Kraftstoff in den Brennraum (8) so eingespritzt wird, dass der Kraftstoff an die Außenseite (15) des Auslassventils (13) und/oder in den Auslass-Strömungskanal (3) gespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einspritzen des Kraftstoffes ein in den Brennraum (8) hineinragender Brennstoffinjektor mit mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbaren Einspritzdüsen (11) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zum Einspritzen des Kraftstoffes verwendete Injektionsdüse (23) des Brennstoffinjektors (11) eine Mittelachse (26) aufweist, die so ausgerichtet ist, dass sie eine durch eine Auslassöffnung (26) des Zylinders (4) aufgespannte Ebene im Bereich der Auslassöffnung (26) schneidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff unmittelbar vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Zylinders (4) eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (28) einen Partikelfilter umfasst und der Partikelfilter infolge des Einspritzens des Kraftstoffes regeneriert wird.
Turbolader (27) mit einer Turbine (29) und einem Kompressor (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (30) einen Brennstoffinjektor (31) zum Einspritzen von Kraftstoff in komprimierte Ladeluft umfasst.
Verbrennungsmaschinenanordnung (33), welche eine Verbrennungsmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (4), einen Einlass-Strömungskanal (2), einen Auslass-Strömungskanal (3), eine stromabwärts des Auslass-Strömungskanals (3) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (28) und mindestens einen Brennstoffinjektor (11, 31) umfasst, wobei der Zylinder (4) einen Brennraum (8), mindestens ein mit dem Einlass-Strömungskanal (2) strömungstechnisch verbundenes Einlassventil (12) und mindestens ein mit dem Auslass-Strömungskanal (3) strömungstechnisch verbundenes Auslassventil (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmaschinenanordnung (33) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgelegt ist.
Verbrennungsmaschinenanordnung (33) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmaschinenanordnung (33) einen Turbolader nach Anspruch 13 und/oder einen Brennstoffinjektor mit mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbaren Einspritzdüsen (11) umfasst.
Fahrzeug (20), welches eine Verbrennungsmaschinenanordnung (33) nach Anspruch 14 oder Anspruch 15 umfasst.