DE19704640A1 - Verfahren zum Betreiben einer flammgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer flammgezündeten Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer flammgezündeten Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise der DE 23 53 981 A1 entnehm­ bar. Dabei wird ein im Brennraum komprimiertes, relativ mageres Kraftstoff- Luftgemisch durch Einspritzen einer geringen Zündkraftstoffmenge hoher Cetanzahl flammgezündet. Der Vorteil eines derartigen Verfahrens liegt darin, daß magere Kraftstoff-Luftgemische mit Lamda bis zu 1,7 sicher ge­ zündet und gefahren werden können, wobei die Brennkraftmaschine ggf. ungedrosselt nur qualitätsgeregelt betrieben werden kann. Um jedoch diese für eine reine Flammzündung (Kompressionszündung) erforderliche hohe Verdichtung reduzieren zu können, wird weiter vorgeschlagen, die Zünd­ kraftstoffmenge dennoch elektrisch mittels einer Zündkerze zu zünden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine sichere Funktionsweise bei erhöhtem Wirkungsgrad der Brenn­ kraftmaschine erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Hauptkraftstoff ebenfalls direkt in den Brennraum einzuspritzen, um zunächst eine definierte Ladungsschich­ tung zu erreichen. Die Einspritzung erfolgt bevorzugt gleichzeitig mit dem Zündkraftstoff.
Ferner wird der Zündkraftstoff stark erhitzt und in dampfförmigem Zustand eingeblasen. Die dazu verwendete Düse weist Düsenöffnungen auf, die ein definiertes Flammfeld bzw. Zündfeld ergeben, daß sich bevorzugt mit dem Einspritzstrahl des Hauptkraftstoffes kreuzt. Damit wird eine sichere, stabile und vollständige Verbrennung des Hauptkraftstoffes selbst bei extrem mage­ ren Kraftstoff-Luftgemischen erreicht. Zudem kann die Brennkraftmaschine in hinsichtlich des Wirkungsgrades günstiger Weise überwiegend qualitäts­ gesteuert betrieben werden, d. h. mit geringen Drosselverlusten insbeson­ dere im Teillastbereich.
Der Zündkraftstoff, z. B. niederoktaniges Benzin, der ein- oder mehrstufig stark erhitzt und mit Überdruck in den Brennraum geblasen wird, entzündest sich in Reaktion mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft nahezu verzögerungsfrei und entzündet seinerseits den eingespritzten Hauptkraftstoff, der z. B. mit einem Druck von 300 bar fein zerstäubt über die Einspritzdüse eingespritzt wird. Ggf. kann dabei zweistufig eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung erfolgen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn im Brennraum der Verbrennungsluft eine Drallströmung aufgeprägt wird, die in Verbindung mit der Energie der Flammzündung ein gleichmäßiges Durchbrennen des Hauptkraftstoffes si­ cherstellt.
Bevorzugt können mehrere weitere Düsen zur Bildung mehrerer benachbar­ ter Zündfelder im Brennraum vorgesehen sein, so daß der eingespritzte Hauptkraftstoff ggf. durch mehrere Flammzündungen gleichzeitig entzündet wird. Vorteilhaft ist dabei auch, daß die Einzelmengen des Zündkraftstoffes verringert sind, wodurch eine schnelle Aufheizung des Zündkraftstoffes - bevorzugt durch Glühstifte - in den einzelnen Düsen erfolgen kann. Die al­ ternative Ansteuerung einer oder mehrerer Düsen in einem definierten Ein­ spritzmodus kann dabei dem Leerlauf, der Teillast oder Vollast der Brenn­ kraftmaschine angepaßt sein. Ggf. kann auch der Leerlauf der Brennkraft­ maschine und der untere Teillastbereich nur mit dem Zündkraftstoff betrie­ ben werden und die Einspritzdüse für den Hauptkraftstoff später zugeschal­ tet werden. Die Lastregelung als solches erfolgt zumindest im höheren Last­ bereich über den Hauptkraftstoff, der über die Einspritzdüse abhängig von den bekannten Parametern zur Kraftstoffzumessung zugemessen wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel­ heiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in
Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt entlang einer Zylinderachse einer Hub­ kolben-Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, der mit Haupt­ kraftstoff und Zündkraftstoff versorgt wird;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Brennraum gemäß Pfeil X in Fig. 1; und
Fig. 3 als Blockschaltbild die Steuerung bzw. Regelung des Verfahrens ab­ hängig von Verbrennungs- und Maschinenparametern.
Die Fig. 1 zeigt abschnittsweise den Brennraum 10 einer Viertakt-Hubkol­ ben-Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip, wobei der kreisscheiben­ förmige Brennraum 10 von einem Zylinderkopf 12, einem Zylinder 14 eines Zylinderkurbelgehäuses 16 und einem im Zylinder 14 in bekannter Weise verschiebbaren Kolben 18 begrenzt ist. Über dem Brennraum 10 zugeord­ nete Gaswechselventile 20, 22 (vgl. Fig. 2) wird Verbrennungsluft zugeführt bzw. Abgas abgeführt.
Zur Herstellung einer gezielten Drallströmung und günstigen Brennraum­ geometrie weist die dem Brennraum 10 zugewandte Kolbenoberfläche eine asymmetrische Mulde 24 auf, die über eine keilförmige, schräge Fläche 26 in eine ringförmige Quetschfläche 28 übersteht. Die gegenüberliegende Zy­ linderkopffläche 30 ist hingegen relativ plan ausgeführt.
Durch die beschriebene Kolbenkonfiguration wird in der Aufwärtsbewegung (Verdichten) des Kolben 18 der Verbrennungsluft gezielt eine Drallströmung und Verwirbelung aufgeprägt. Die Brennraumgeometrie ist so ausgelegt, daß eine geometrische Verdichtung von 15 vorliegt. Eine Drallströmung könnte ggf. auch oder zusätzlich insbesondere bei Mehrventilmotoren durch spiralförmige Gestaltung eines oder mehrerer Einlaßkanäle im Zylinderkopf 12 verwirklicht sein.
Im Zylinderkopf 10 sind der Kolbenmulde 24 gegenüberliegend eine Ein­ spritzdüse 32 zum Einspritzen einer Hauptkraftstoffmenge und drei weitere Düsen 34, 36, 38 zum Einbringen einer geringen Zündkraftstoffmenge ange­ ordnet, deren Einspritzöffnungen (nicht bezeichnet) derart in den Brennraum 10 ausgerichtet sind, daß hinsichtlich der Düsen 34, 36, 38 drei Zündfelder 40, 42, 44 gebildet sind, während die Einspritzstrahlen 46 der Einspritzdüse 32 in nahezu rechtwinkliger Abstrahlung zur Längsachse der Einspritzdüse 32 in Längserstreckung (bzw. diametral) des Brennraumes 10 ausgerichtet sind. Dabei kreuzen die Einspritzstrahlen 46 die Zündfelder 40, 42, 44 der Düsen 34, 36, 38.
Während die Einspritzdüse 32, abgesehen von ihrer Abspritzrichtung, her­ kömmlicher Bauart sein kann und auch den Hauptkraftstoff, z. B. Benzin, mit ROZ 90, mit 300 bar Einspritzdruck über eine herkömmliche, für Benzin-Di­ rekteinspritzung geeignete Einspritzanlage einspritzt, sind die Düsen 34, 36, 38 jeweils mit einem elektrisch angeschlossenen Heizstift oder mit einer mehrstufigen, hintereinander geschalteten Beheizung versehen, mittels dem der Zündkraftstoff, z. B. Dieselöl oder bevorzugt niederoktaniger Ottokraftstoff oder Methanol, bei einem Druck von 30 bar stark erhitzt (< 200°C, insbesondere ca. 600°C) bzw. verdampft und aufgrund der tempera­ turbedingten Druckzunahme eingeblasen wird. Der eingeblasene Kraftstoff­ dampf entzündet sich im Brennraum 10, wobei die Flammenausbreitung ent­ sprechend den eingezeichneten Zündfeldern 40, 42, 44 ist.
Gemäß Fig. 3 werden die Düsen 34, 36, 38 bzw. die Einspritzdüse 32 elek­ tromagnetisch über entsprechende elektronische Verstärker 50, 52 betätigt, wobei bei den Düsen 34, 36, 38 zusätzlich die beschriebenen Glühstifte mit Strom versorgt werden.
Die Verstärker 50, 52 wiederum werden über ein elektronisches Steuergerät 54 mit digitaler Datenverarbeitung aktiviert, das die Einspritzzeiten, - Inter­ valle, Düsenkombinationen, Impulslänge und Impulsanzahl der Flammzün­ dung abhängig von den Parametern Drehzahl, Last, Lastanforderung der Brennkraftmaschine sowie Abgastemperatur, NOx-Wert, CH-Wert, Lamda- Wert, Luftmenge, -Temperatur, etc. berechnet und im closed-loop-Verfah­ ren ständig optimiert. Die entsprechenden Sensoren können bekannter Bauart sein und sind deshalb nicht dargestellt.
Der Verfahrensablauf ist bevorzugt so, daß nach dem Ansaugen der Ver­ brennungsluft und deren Kompression, wobei durch das nach oben Drücken des Kolben 18 die Verbrennungsluft eine Drall- und Quetschströmung an­ nimmt, kurz vor OT des Kolbens 18 die Hauptkraftstoffmenge über das Ein­ spritzventil 32 eingespritzt und gleichzeitig je nach Last der Brennkraftma­ schine über ein, zwei oder alle drei Düsen 34, 36, 38 der unter einem Druck von 30 bar stehende auf 600°C erhitzte Zündkraftstoff eingeblasen wird.
Der Zündkraftstoff entflammt entsprechend den eingezeichneten Zündfel­ dern 40, 42, 44 und entzündet somit den sich in der Drallströmung verteilen­ den Hauptkraftstoff. Dabei entsteht eine von der Kolbenmulde 24 ausge­ hende Flammenfront, die sich bei definierter Geschwindigkeit und nicht zu steilem Druckanstieg ausbreitet und eine gleichmäßiges schadstoffarmes Durchbrennen des Kraftstoffes sicherstellt.
Das beschriebene Verfahren kann selbstverständlich auch auf Zweitakt-Otto-Brenn­ kraftmaschinen angewendet werden. Ferner kann die Brennkraftma­ schine mit Abgasrückführung und/oder Sekundärluftzuführung entsprechend dem Stand der Technik betrieben werden.
Zur Wirkungsgradsteigerung der Brennkraftmaschine kann ferner eine Auf­ ladung, insbesondere unter Verwendung eines Abgasturboladers, vorgese­ hen sein.
Der Leerlaufbetrieb und untere Teillastbereich der Brennkraftmaschine kann ggf. alleine mit dem Zündkraftstoff betrieben werden. Ferner kann ggf. über eine zweistufige Einspritzdüse 32 eine Voreinspritzung gefahren werden, die zur Unterstützung einer definierten Ladungsschichtung oder einer verbes­ serten, inneren Gemischaufbereitung beiträgt.
Zur Verminderung der aufzubringenden elektrischen Energie kann gasförmi­ ger Zündkraftstoff (z. B. Erdgas) verwendet werden, wobei ggf. (zur Vermei­ dung mehrerer Kraftstoffbehälter) auch der Hauptkraftstoff für die Einspritz­ düse 32 gasförmig sein kann.

Claims (15)

1. Verfahren zum Betreiben einer flammgezündeten Brennkraftmaschine, mit einer eine Hauptkraftstoffmenge zur Verfügung stellenden Einspritzdüse und einer weiteren entflammbaren Zündkraftstoff geringerer Menge in den Brennraum einbringenden Düse, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkraftstoff ebenfalls direkt in den Brennraum (10) eingespritzt wird und daß der Zündkraftstoff in der zumindest einen weiteren Düse (34, 36, 38) stark erhitzt und unter Überdruck in Dampfform und ein defi­ niertes Zündfeld (40, 42, 44) bildend eingeblasen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der weite­ ren Düse (34, 36, 38) ein elektrisch betriebener Heizstift angeordnet ist, mittels dem der Zündkraftstoff verdampft wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündkraftstoff mit zumindest 30 bar Druck und < 200°C Temperatur, insbesondere bis zu 600°C Temperatur, erhitzt und dann eingeblasen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Zündkraftstoffes durch mehrere hintereinandergeschaltete Heizstufen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Heizstufe auf der Brennraumseite der Düse (34, 36, 38) liegt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere, insbesondere drei weitere Düsen (34, 36, 38) zur Bildung mehrerer benachbarter Zündfelder (40, 42, 44) im Brennraum (10) vorgesehen sind.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahl der Einspritzdüse (32) und zumindest ein Strahl der weiteren Düse (34, 36, 38) so ausgerichtet sind, daß sie im Brennraum (10) aufeinander treffen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (46) der Einspritzdüse (32) in Längserstreckung des Brennraumes (10) im Endverdichtungsstadium ausgerichtet ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennraum (10) eine Drallströmung der Verbrennungsluft initiiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drall­ strömung bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine durch eine Keil- und/oder Quetschfläche (26 bzw. 28) des Kolbens (18) bewirkt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündfelder (40, 42, 44) und der Ein­ spritzstrahl (46) in eine Brennraummulde (24) gerichtet sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn­ raummulde (24) im Kolben (18) einer Hubkolben- Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (32) und die weiteren Düsen (34, 36, 38) hinsichtlich Kraftstoffmenge, Einspritzzeit und Ein­ spritzmodus durch digitale Datenverarbeitung mit einem einheitlichen elektronischen Steuergerät (54) gesteuert werden.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Leerlauf der Brennkraftmaschine und ggf. in der unteren Teillast nur Zündkraftstoff eingebracht wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zündkraftstoff und/oder Hauptkraftstoff gasförmiger Kraftstoff verwendet wird.
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