DE10204182B4

DE10204182B4 - Brennkraftmaschine und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE10204182B4
Application number: DE10204182A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lösel; Peter Dr. Eilts
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: DE10204182A1; FI20030049A0; FI20030049A; KR20030066315A; KR100821818B1; FI123029B

Abstract

Brennkraftmaschine mit mindestens einem einen Kolben aufnehmenden Zylinder (1), der mit mindestens einem Einlassventil (5) versehen ist, und mit einer Einrichtung (7, 10, 12) zur Zufuhr von Wasser zur NO_x– Reduzierung, die im Bereich des oder der Einlassventile (5) wenigstens ein zu Beginn des Ansaughubes öffnendes Einspritzventil (7, 12) umfasst, und einem Turbolader (15, 22) dadurch gekennzeichnet, dass dem Einspritzventil (7, 12) Mittel in Form eines Steuergerätes (11) zugeordnet sind, die die maximal einzuspritzende Wassermenge zumindest durch die Werte der Temperatur und des Drucks der dem Zylinder (1) zugeführten Verbrennungsluft derart bestimmen, dass die Taupunkttemperatur des Verbrennungsluft-Wasser-Gemisches nicht unterschritten wird, und dass in Strömungsrichtung vor dem oder den Einlassventilen (5) eine Anordnung (15-21; 22-30) zur gezielten Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsluft vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem einen Kolben aufnehmenden Zylinder, der mit mindestens einem Einlassventil versehen ist, und mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Wasser zur NO_x-Reduzierung, die im Bereich des oder der Einlassventile wenigstens ein zu Beginn des Ansaughubes öffnendes Einspritzventil umfasst, und einem Turbolader. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb dieser Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, bei dem die maximal eingespritzte Wassermenge zumindest durch die Werte der Temperatur und des Drucks der Verbrennungsluft derart bestimmt wird, dass die Taupunkttemperatur des Verbrennungslust-Wasser-Gemisches nicht unterschritten wird.

Beispielsweise zeigen die EP 0 683 307 A1 oder die DE 34 32 787 A1 jeweils eine derartige Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Wasser zur NO_x-Reduzierung, die im Bereich eines Einlassventils wenigstens ein zu Beginn des Ansaughubes öffnenden Einspritzventil umfasst.

Des weiteren wird beispielsweise beim Gegenstand der DE 34 32 787 A1 die einzuspritzende Wassermenge durch ein Signal geregelt, welches von einem Klopfsensor und von einem Einlassgastemperatursensors kommt, wobei eine derartige elektronische Steuerung der Wassermenge eben das Klopfen beseitigen und die Abgastemperatur auf dem Ursprungsniveau halten soll.

Hiervon ausgehend liegt allerdings der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine sehr genaue Wassereinspritzdosierung unter Berücksichtigung einer ausreichend hohen Wassermenge vornehmen zu können und dennoch lediglich soviel Wasser einzuspritzen, wie verdampfen kann.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass dem Einspritzventil Mittel in Form eines Steuergerätes zugeordnet sind, die die maximal einzuspritzende Wassermenge zumindest durch die Werte der Temperatur und des Drucks der dem Zylinder zugeführten Verbrennungsluft derart bestimmen, dass die Taupunkttemperatur des Verbrennungsluft-Wasser-Gemisches nicht unterschritten wird, und dass in Strömungsrichtung vor dem oder den Einlassventilen eine Anordnung zur gezielten Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsluft vorgesehen ist.

Gemäss der verfahrensgemässen Ausgestaltung der Erfindung ist zum Betrieb einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine mit einem Turbolader vorgesehen, dass die maximal eingespritzte Wassermenge zumindest durch die Werte der Temperatur und des Drucks der vom Turbolader gelieferten Verbrennungsluft derart bestimmt wird, dass die Taupunkttemperatur des Verbrennungsluft-Wasser-Gemisches nicht unterschritten wird. Diese Maßnahme vermeidet das Auftreten von Wassertröpfchen im Zylinder, da lediglich so viel Wasser eingespritzt wird, wie verdampfen kann.

Eine wesentliche Erhöhung der Wassermenge, die der vom Turbolader gelieferten Verbrennungsluft ohne Tröpfchenbildung zugesetzt werden kann, lässt sich nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass mit einer erhöhten Temperatur der Verbrennungsluft gearbeitet wird. Hierdurch kann der Feuchtigkeitsgehalt der Verbrennungsluft erheblich gesteigert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Wassertemperatur erhöht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.

In dieser zeigt:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer der 1 entsprechenden Darstellung und die

3 und 4 schematische Darstellungen zweier Anordnungen zur Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsluft.

Die Ausführungsbeispiele gehen von einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und mindestens einem Turbolader aus, ohne dass die Erfindung auf diese Brennkraftmaschinenart beschränkt ist.

Die Zeichnung zeigt einen Zylinder 1 und einen Kolben 2. Zum Zylinder 1 führen ein Luft-Einlasskanal 3 und ein Auslasskanal 4, in denen ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 angeordnet sind. Dem Zylinder können auch mehrere Ein- und/oder Auslassventile zugeordnet sein.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Lufteinlasskanal 3 unmittelbar über dem Sitz des Einlassventiles 5 ein Einspritzventil 7, das in eine Zerstäuberdüse 8 ausläuft, vorgesehen. Die Einspritzrichtung des Einspritzventils 7 ist etwa quer zu der mit dem Pfeil a bezeichneten Strömungsrichtung der Verbrennungsluft, die dem Lufteinlasskanal 3 über eine Ladeluftleitung 9 zugeführt wird, gerichtet.

Das an eine Wasserzuleitung 10 angeschlossene Einspritzventil 7 wird getaktet geöffnet und geschlossen. Hierzu ist ein Steuergerät 11 vorgesehen, in das zum einen ein die Stellung des Einlassventils 5 erfassender Steuerwert eingegeben wird. Dieser Steuerwert kann beispielsweise von der Nockenwelle abgenommen werden und bestimmt das Öffnen des Einspritzventils 7 bei Öffnung des Einlassventiles 5. Zum anderen werden im einfachsten Fall die Werte der Temperatur und des Drucks der dem Zylinder 1 zugeführten Verbrennungsluft in das Steuergerät 11 eingegeben. Hieraus ergibt sich die maximale, ohne Überschreitung der Taupunkttemperatur verdampfbare Wassermenge. Geben diese Werte an, dass der Taupunkt durch das zugeführte Wasser erreicht wird, gibt das Steuergerät einen Schließimpuls für das Einspritzventil 7. Somit wird sichergestellt, dass das zugeführte Wasser vollständig verdampfen kann. Spätestens jedoch wird das Einspritzventil 7 geschlossen, wenn das Einlassventil 5 schließt.

Um eine möglichst große Wassermenge in den Zylinder einzuführen ist es vorteilhaft, mit einer erhöhten Temperatur der Verbrennungsluft zu arbeiten. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verbrennungsluft nur begrenzt gekühlt wird. Dann kann an Einsatzorten, an denen weniger strenge Abgasvorschriften gelten, die Temperatur der Kühlflüssigkeit abgesenkt werden. Im Extremfall kann der Ladeluftkühler völlig abgeschaltet werden.

Zur Erzielung einer erhöhten Temperatur der Verbrennungsluft ist die Anordnung nach 3 einsetzbar. Hier ist einem Turbolader 15 ein Ladeluftkühler 16 nachgeschaltet, der eine Kühlwasserzuleitung 17 mit einer Förderpumpe 18 und eine Kühlwasserableitung 19 aufweist. Zwischen der Kühlwasserzuleitung 17 und der Kühlwasserableitung 19 ist eine Verbindungsleitung 20 vorgesehen, die in Strömungsrichtung vor der Förderpumpe 18 angeordnet ist. Die Verbindungsleitung 20 nimmt ein Regelventil 21 auf, durch das eine einstellbare Menge des heißen Kühlwassers von der Kühlwasserableitung 19 zur Kühlwasserzuleitung 17 durchtreten kann. Durch diese Möglichkeit der Zumischung heißen Kühlwassers zum kalten Kühlwasser kann die Eintrittstemperatur des kalten Kühlwassers in den Ladeluftkühler 16 angehoben werden. Es wird also die Temperatur der Kühlflüssigkeit des Ladeluftkühlers zur Verminderung seiner Kühlleistung erhöht. Die vom Turbolader 15 durch den Ladeluftkühler 16 durchtretende Verbrennungsluft kann daher mit erhöhter Temperatur der Ladeluftleitung 9 zugeführt werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Temperatur der Verbrennungsluft anzuheben, zeigt 4. Hier ist dem Turbolader 22 ein Ladeluftkühler 23 nachgeschaltet, der über eine Kühlwasserzuleitung 24 mit einer Förderpumpe 25 mit kaltem Wasser versorgt wird und eine Kühlwasserableitung 26 für das heiße Kühlwasser aufweist. Von der Verbindungsleitung 27 zwischen dem Turbolader 22 und dem Ladeluftkühler 23 zweigt eine den Ladeluftkühler 23 umgehende Leitung 28 ab, die in die Verbindungsleitung 29 zwischen dem Ladeluftkühler 23 und der Ladeluftleitung 9 mündet. In der Leitung 28 ist ein Regelventil 30 angeordnet, mit dem der Durchflussquerschnitt der Leitung 28 eingestellt werden kann. Ist das Regelventil 30 mehr oder minder weit geöffnet, so kann ein mehr oder minder großer Anteil der heißen, vom Turbolader 22 kommenden Verbrennungsluft ungekühlt der durch den Ladeluftkühler 23 durchtretenden Verbrennungsluft zugemischt werden und damit auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden.

Die Regelventile 21, 30 können von Hand eingestellt oder von dem Steuergerät 11 eingestellt werden. Die Ansteuerung dieser Ventile durch das Steuergerät bietet den weiteren Vorteil, dass in einfacher Weise eine Maximaltemperatur der Verbrennungsluft eingestellt werden kann, um eine thermische Überlastung der Kolbenbrennkraftmaschine zu vermeiden.

Für eine sehr genaue Steuerung der zuzusetzenden Wassermenge können auch zusätzlich die Werte der Temperatur, des Drucks und der relativen Feuchtigkeit der vom Turbolader angesaugten Umgebungsluft sowie der momentanen Drehzahl und Leistung der Brennkraftmaschine in das Steuergerät eingegeben werden. Die vom Steuergerät 11 verarbeiteten Werte für die Temperatur und den Druck der Verbrennungsluft können auch dazu verwendet werden, die Menge des durch das Einspritzventil 7 durchtretenden Wassers über den Wasserdruck zu steuern. Eine derartige Anordnung reagiert schnell und präzise auf Änderungen der Steuerventile und damit auf die momentane Belastung der Brennkraftmaschine.

Beim Ausführungsbeispiel nach 2 sind die Teile, die mit dem Ausführungsbeispiel nach 1 übereinstimmen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Hier ist ein Einspritzventil 12 am oberen Rand 13 des Zylinders 1 angeordnet und zwar beim Ausführungsbeispiel in Höhe des Hubweges des Einlassventils 5. Wenn mehrere Einlassventile vorgesehen sind, kann jedem dieser Ventile ein Einspritzventil zugeordnet sein. Die Einspritzrichtung jedes Einspritzventiles 12 ist gegen die Strömungsrichtung eines mit dem Pfeil b bezeichneten Teiles der durch den Ventilteller 14 umgelenkten Verbrennungsluft gerichtet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass Wasser auch noch dann eingespritzt werden kann, wenn das Einlassventil 5 geschlossen ist und der Kompressionshub des Kolbens 2 beginnt. Dabei führt die Kompression zu einer Temperaturanhebung, die die Verdampfung des Wassers weiter fördert. In diesem Fall wird die eingespritzte Wassermenge in Abhängigkeit von dem Durchtrittsquerschnitt des Einspritzventiles und dem Wasserdruck so gesteuert, dass die Einspritzung beendet ist, wenn der Kompressionsdruck im Zylinder ansteigt.

Nach einer weiteren Alternative sind das oder die Einspritzventile im Zylinderkopf neben dem oder den Einlassventilen angeordnet, so dass das Wasser von oben in den Zylinder 1 eintritt.

Insbesondere bei einer frei ansaugenden Brennkraftmaschine kann auch die Steuerung des Einspritzventils 7 bzw. 12 nur in Abhängigkeit von der Stellung des Einlassventiles 5 erfolgen.

Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem einen Kolben aufnehmenden Zylinder (1), der mit mindestens einem Einlassventil (5) versehen ist, und mit einer Einrichtung (7, 10, 12) zur Zufuhr von Wasser zur NO_x– Reduzierung, die im Bereich des oder der Einlassventile (5) wenigstens ein zu Beginn des Ansaughubes öffnendes Einspritzventil (7, 12) umfasst, und einem Turbolader (15, 22) dadurch gekennzeichnet, dass dem Einspritzventil (7, 12) Mittel in Form eines Steuergerätes (11) zugeordnet sind, die die maximal einzuspritzende Wassermenge zumindest durch die Werte der Temperatur und des Drucks der dem Zylinder (1) zugeführten Verbrennungsluft derart bestimmen, dass die Taupunkttemperatur des Verbrennungsluft-Wasser-Gemisches nicht unterschritten wird, und dass in Strömungsrichtung vor dem oder den Einlassventilen (5) eine Anordnung (15-21; 22-30) zur gezielten Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsluft vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Abgasturboladers (15) zur Aufladung des Zylinders (1) dem Turbolader (15) ein Ladeluftkühler (16) nachgeordnet ist, der eine Kühlwasserzuleitung (17) mit einer Förderpumpe (18) und eine Kühlwasserableitung (19) aufweist, zwischen der Kühlwasserzuleitung (17) und der Kühlwasserableitung (19) eine in Strömungsrichtung vor der Förderpumpe (18) angeordnete Verbindungsleitung (20) vorgesehen ist, die Verbindungsleitung (20) ein Regelventil (21) aufnimmt, durch das eine einstellbare Menge des heißen Kühlwassers von der Kühlwasserableitung (19) zur Kühlwasserzuleitung (17) durchtreten kann.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Abgasturboladers (22) zur Aufladung des Zylinders (1) dem Turbolader (22) ein Ladeluftkühler (23) nachgeordnet ist, der über eine Kühlwasserzuleitung (24) mit einer Förderpumpe (25) mit kaltem Kühlwasser versorgt wird und eine Kühlwasserableitung (26) für das heiße Kühlwasser aufweist, von einer Verbindungsleitung (27) zwischen dem Turbolader (22) und dem Ladeluftkühler (23) eine den Ladeluftkühler (23) umgehende Leitung (28) abzweigt, die in die Verbindungsleitung (29) zwischen dem Ladeluftkühler (23) und einer Ladeluftleitung (9) mündet, wobei in der Leitung (28) ein Regelventil (30) angeordnet ist, mit dem der Durchflussquerschnitt der Leitung (28) eingestellt werden kann.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (7) im Lufteinlasskanal (3) vor dem Einlassventil (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Einspritzventile (12) am oberen Rand des Zylinders (1) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Einspritzventile (12) in Höhe des Hubweges des Einlassventiles (5) angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die maximal eingespritze Wassermenge zumindest durch die Werte der Temperatur und des Drucks der Verbrennungsluft derart bestimmt wird, dass die Taupunkttemperatur des Verbrennungsluft-Wasser-Gemisches nicht unterschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer erhöhten Temperatur der Verbrennungsluft gearbeitet wird, indem die Temperatur des Kühlwassers des Ladeluftkühlers (16) zur Verminderung seiner Kühlleistung durch Zumischung heissen Kühlwassers zum kalten Kühlwasser erhöht wird oder ein mehr oder minder grosser Anteil der heissen, vom Turbolader (22) kommenden Verbrennungsluft ungekühlt der durch den Ladeluftkühler (23) durchtretenden Verbrennungsluft zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer erhöhten Temperatur des eingespritzten Wassers gearbeitet wird.