DE19949812A1 - Procedure for operation of common rail IC engine has by supply of thermal energy, temperature of fuel increased above boiling point of fuel when piston is at TDC - Google Patents
Procedure for operation of common rail IC engine has by supply of thermal energy, temperature of fuel increased above boiling point of fuel when piston is at TDCInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Common-Rail-Brennkraftmaschine nach der im Ober begriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for operating a common rail engine according to the one in the upper Concept of claim 1 defined in more detail.
Bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung von Kraftstoff, z. B. Diesel oder Benzin, welche nach dem Common-Rail-Prinzip arbeiten, wird der Kraftstoff aus einem gemeinsamen Kraftstoffverteilergehäuse, der so genannten Rail, mit sehr hohem Druck in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Aufgrund des sehr hohen Drucks von zum Teil über 1200 bar sind an die Rail, an sämtliche Leitungselemente, die mit der Rail in Verbindung stehen, sowie an die Einspritzventile und an die den hohen Druck erzeugende Hochdruckpumpe große Anforderungen bezüglich ihrer Dichtheit zu stel len.In internal combustion engines with direct injection from Fuel, e.g. B. diesel or gasoline, which after Working on the common rail principle, the fuel will run out a common fuel rail housing that so called rail, with very high pressure in the cylinder injected into the internal combustion engine. Because of the very high pressures of up to 1200 bar in some cases Rail, to all line elements connected to the Rail are connected, as well as to the injection valves and the high pressure high pressure pump to make great demands on their tightness len.
Aus dem Bereich der Benzin- bzw. Dieselbrennkraftma schinen, welche nicht nach dem Common-Rail-Prinzip arbeiten, ist bekannt, Kraftstoff im Bereich der Ein spritzdüse bzw. des Einspritzventils vorzuwärmen, um die Verbrennung des jeweiligen Kraftstoffs in dem Zy linder zu verbessern.From the field of gasoline or diesel internal combustion seem, which are not based on the common rail principle work is known to fuel in the field of a preheat the spray nozzle or the injector to the combustion of the respective fuel in the Zy improve linder.
Entsprechende Vorrichtungen, welche sich hierzu elek trischer Widerstandsheizungen bzw. Heizpatronen bedie nen werden in der DE 26 46 069 A1 und in der DE 30 17 591 A1 beschrieben.Corresponding devices, which are elec trical resistance heaters or heating cartridges NEN are in DE 26 46 069 A1 and in DE 30 17 591 A1 described.
Die DE 44 31 189 C2 beschreibt eine Vorwärmung des Kraftstoffs im Bereich der Einspritzdüse durch eine Erhöhung der elektrischen Verlustleistung in den elek trischen bzw. elektromagnetischen Betätigungselementen der jeweiligen Einspritzdüse.DE 44 31 189 C2 describes preheating the Fuel in the area of the injector through a Increase in electrical power loss in the elec trical or electromagnetic actuators the respective injector.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung der Betriebseigenschaften einer Commom-Rail Brenn kraftmaschine, insbesondere eine Optimierung der Ver brennung des jeweiligen Kraftstoffs in den Zylindern und bei Dieselmotoren eine deutliche Reduktion der Rußbildung zu erreichen und darüber hinaus den erfor derlichen Druck in der Rail zu reduzieren.It is the object of the invention to make an improvement the operating characteristics of a commom rail burning engine, in particular an optimization of the ver combustion of the respective fuel in the cylinders and a significant reduction in diesel engines To achieve soot formation and beyond the requ to reduce any pressure in the rail.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn zeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus den Ansprüchen 4 bis 9.According to the invention, this object is achieved by the drawing part of claim 1 described method solved. A device for performing the inventions method according to the invention results from the claims 4 to 9.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht dabei auf einer Zufuhr von thermischer Energie, also einem Heizen, des einzuspritzenden Kraftstoffs im Bereich des Einspritz ventils bzw. der Einspritzdüse. Dabei wird die Tempe ratur genau in der Art erhöht, daß sie oberhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den jeweiligen Druckbedingungen im Zylinder, wenn sich der Kolben in einem oberen Totpunkt befindet, liegt, aber unterhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraft stoffs bei den jeweiligen Druckbedingungen, welche gleichzeitig in der Rail herrschen.The method according to the invention is based on a Supply of thermal energy, i.e. heating, the fuel to be injected in the area of the injection valve or the injector. The tempe rature increased in such a way that it is above the Boiling temperature of the respective fuel at the respective pressure conditions in the cylinder when the Piston is at top dead center, but below the boiling point of the respective force under the respective printing conditions, which rule in the rail at the same time.
Der Kraftstoff wird also einerseits so hochgeheizt, daß er bei den Druckbedingungen in der Rail und damit auch in dem Einspritzventil unter dem Siedepunkt des Kraftstoffs zu diesen Druckbedingungen liegt. Selbst verständlich wird hier ein gewisser Abstand zu der jeweiligen Siedetemperatur gewahrt, um ein Verdampfen des Kraftstoffs in der Rail unter den üblicherweise auftretenden Bedingungen zu vermeiden. Andererseits liegt die Temperatur, auf welche der Kraftstoff hoch geheizt wird, jedoch oberhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den Druckbedingungen, die im Zylinder herrschen, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet.On the one hand, the fuel is heated up so much that he was under pressure conditions in the rail and thus also in the injection valve below the boiling point of the Fuel at these pressure conditions. Yourself a certain distance to the respective boiling temperature maintained to evaporate of fuel in the rail under the usual to avoid occurring conditions. On the other hand is the temperature at which the fuel is high is heated, but above the boiling point of the respective fuel at the pressure conditions that prevail in the cylinder when the piston is in its top dead center.
Das Einspritzen des Kraftstoffes erfolgt - zumindest in etwa - bei den Druckbedingungen, die vorliegen, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Dies bedeutet, daß beim Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder zumindest der annähernd größter Teil des Kraftstoffs verdampfen wird.The fuel is injected - at least roughly - with the printing conditions that exist when the piston is at top dead center. This means that when the fuel is injected into the At least almost the largest part of the cylinder Fuel will evaporate.
Aufgrund dieser durch die Zufuhr von thermischer Ener gie erreichten Verdampfung des Kraftstoffs bei der Einspritzung in den Zylinder werden sehr vorteilhafte Voraussetzungen für die Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine geschaffen.Because of this by the supply of thermal energy evaporation of the fuel reached at Injection in the cylinder will be very beneficial Requirements for burning the fuel in the internal combustion engine created.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß aufgrund der Zufuhr von thermischer Energie eine Verdampfung des Kraftstoffs sofort nach dem Einspritzen in den Zylinder erfolgt. Der Kraft stoffdruck, welcher zuvor in der Rail benötigt würde, um den Kraftstoff beim Einspritzen möglichst ideal zu zerstäuben, kann stark abgesenkt werden. Dies ermög licht kostengünstigere, einfachere und weniger war tungsanfällige Einzelelemente und Verbindungsleitun gen, wobei insbesondere die Dichtungselemente und die den erforderlichen Druck erzeugende Kraftstofför dereinrichtung in sehr vorteilhafter Art und Weise vereinfacht werden können.Another advantage of the method according to the invention is that due to the supply of thermal Energy immediately evaporates after the fuel injection into the cylinder. The force fabric pressure that would previously be required in the rail, to make the fuel as ideal as possible when injecting atomize, can be greatly lowered. This enables light was cheaper, simpler and less Individual elements and connecting lines that are prone to gene, in particular the sealing elements and the required pressure generating fuel dereinrichtung in a very advantageous manner can be simplified.
Die Erfindung kann prinzipiell für alle Typen von Ein spritzventilen bzw. Einspritzdüsen eingesetzt werden. Die nach außen oder innen öffnenden Nadeln der Ein spritzventile können dabei sowohl mechanisch, elektro mechanisch (Piezo-Effekt) als auch elektrisch oder hydraulisch betätigbar sein.The invention can in principle for all types of A injection valves or injectors are used. The outward or inward opening needles Spray valves can be both mechanical and electrical mechanical (piezo effect) as well as electrical or be hydraulically operated.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie entsprechende Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der nachfolgenden Zeichnungen prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.Further advantageous refinements of the method as well as corresponding devices for carrying out the Process result from the subclaims and the principle based on the following drawings illustrated embodiments.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens; und Figure 1 is a schematic diagram of an embodiment of the device for performing the inventive method. and
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 is a schematic diagram of an alternative embodiment of the device for performing the method according to the invention.
In Fig. 1 ist eine erste mögliche Ausführungsform ei ner Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei ist eine Einspritzdüse 1 bzw. ein Einspritzventil 1 erkennbar, welches eine Kraftstoffzufuhrleitung 2 von einer Rail 3 aufweist. Mittels der Einspritzdüse 1 erfolgt eine Direktein spritzung von Kraftstoff, wie z. B. Diesel oder Benzin, in einen Zylinder 4 einer Brennkraftmaschine. In dem Zylinder 4 ist ein Kolben 5 prinzipmäßig angedeutet, welcher im Betrieb zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt oszilliert.In Fig. 1 a first possible embodiment ei ner apparatus is illustrated for performing the method according to the invention. Here, an injection nozzle 1 or an injection valve 1 can be seen , which has a fuel supply line 2 from a rail 3 . By means of the injector 1 , a direct injection of fuel, such as. B. diesel or gasoline, in a cylinder 4 of an internal combustion engine. In principle, a piston 5 is indicated in the cylinder 4 , which oscillates in operation between an upper and a lower dead center.
Der dem Zylinder 4 zugewandte Bereich des Einspritz ventils 1 zeigt eine elektrische Widerstandsheizung 6a, welche durch eine Heizwendel prinzipmäßig angedeu tet ist. Der der Rail 3 zugewandte Bereich des Ein spritzventils 1 bzw. der Kraftstoffzufuhr 2 zeigt eine vergleichbare elektrische Widerstandsheizung 6b. Die elektrischen Widerstandsheizungen 6a, 6b sind über Stromleitungen 7 mit einer Batterie 8 verbunden.The area of the injection valve 1 facing the cylinder 4 shows an electrical resistance heater 6 a, which is indicated by a heating coil in principle. The area of the injection valve 1 or the fuel supply 2 facing the rail 3 shows a comparable electrical resistance heater 6 b. The electrical resistance heaters 6 a, 6 b are connected to a battery 8 via power lines 7 .
Dabei sind prinzipiell mehrere Ausführungsformen der Erfindung möglich, so daß sowohl die elektrische Wi derstandsheizung 6a und die elektrische Wider standsheizung 6b als auch jeweils nur eine der beiden Widerstandsheizungen 6a oder 6b vorhanden sein kann.Several embodiments of the invention are possible in principle, so that both the electrical Wi derstandsheizung 6 a and the electric auxiliary heater abutment 6 and b only one of the two resistance heaters 6 a or 6 b may be present.
Durch zumindest eine der elektrischen Widerstandshei zungen 6a, 6b wird der Kraftstoff, welcher sich in den jeweils zugeordneten kraftstofführenden Bereichen 9a, 9b des Einspritzventils 1 befindet, auf eine Tempera tur aufgeheizt, die oberhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den Druckbedingungen liegt, welche zu dem Zeitpunkt herrschen, wenn sich der Kol bens 5 im oberen Totpunkts des Zylinders 4 befindet.By at least one of the electrical resistance heating tongues 6 a, 6 b, the fuel which is in the respectively assigned fuel-carrying areas 9 a, 9 b of the injection valve 1 is heated to a temperature which is above the boiling point of the respective fuel under the pressure conditions lies, which prevail at the time when the Kol bens 5 is at the top dead center of the cylinder 4 .
Gleichzeitig wird die Temperatur des Kraftstoffs in dem Einspritzventil 1 jedoch unterhalb der Siedetempe ratur des Kraftstoffs bei den in der Rail 3 vorliegen den Druckbedingungen gehalten.At the same time, the temperature of the fuel in the injection valve 1 is kept below the boiling temperature of the fuel at the pressure conditions present in the rail 3 .
Wird Kraftstoff aus dem Einspritzventil 1 z. B. durch ein Zurückziehen einer Nadel 10 in den Zylinder 4 ein gespritzt, so wird der eingespritzte Kraftstoff auf grund seiner durch die Widerstandsheizungen 6a, 6b vorgegebene Temperatur zu seinem wenigstens annähernd größten Teil sofort verdampfen. Es kann dann, je nach eingesetztem Motortyp, eine Verbrennung aufgrund einer Selbstzündung oder Fremdzündung erfolgen.If fuel from the injector 1 z. B. by retracting a needle 10 into the cylinder 4 , the injected fuel will evaporate immediately due to its predetermined temperature by the resistance heaters 6 a, 6 b to its at least approximately the largest part. Depending on the type of engine used, combustion can then take place due to self-ignition or spark ignition.
Die Drücke in der Rail 3, in der Kraftstoffzufuhr 2 und in dem Einspritzventil 1 können dabei geringer gewählt sein als dies bei allen derzeit bekannten nach dem Common-Rail-Prinzip arbeitenden Motoren der Fall ist.The pressures in the rail 3 , in the fuel supply 2 and in the injection valve 1 can be chosen to be lower than is the case with all currently known engines operating according to the common rail principle.
Die zugeführte thermische Energie, insbesondere wenn die Zufuhr in dem dem Zylinder 4 zugewandten Bereich des Einspritzventils 1, also über die elektrische Wi derstandsheizung 6a erfolgt, erhöht damit theoretisch nicht nur die Temperatur des kurz vor der Einspritzung stehenden Kraftstoffs, sondern auch die des Kraft stoffs in der gesamten Rail 3. Diese Problematik kann in der Praxis jedoch annähernd vernachlässigt werden, da der Kraftstoff selbst im allgemeinen ein schlechter Wärmeleiter ist, so daß sich die gesamte Rail 3 auf grund der thermischen Zufuhr von Energie in dem dem Zylinder 4 zugewandten Bereich des Einspritzventils 1 nicht entscheidend auswirkt. Durch den geringen Innen durchmesser der Kraftstoffzufuhr 2 und der Kraft stoffleitungen im Inneren des Einspritzventils 1 kann auch ein konvektiver Wärmeaustausch praktisch annä hernd ausgeschlossen werden. Es wird also in der Pra xis nur diejenige Menge an Kraftstoff erwärmt werden, welche jeweils zur direkten Einspritzung in den Zylin der 4 ansteht.The thermal energy supplied, in particular when the supply in the cylinder 4 facing area of the injection valve 1 , that is via the electrical resistance heater 6 a, thus theoretically increases not only the temperature of the fuel that is about to be injected, but also that of the force across the entire rail 3 . In practice, however, this problem can be neglected, since the fuel itself is generally a poor heat conductor, so that the entire rail 3 does not have a decisive effect due to the thermal supply of energy in the area of the injection valve 1 facing the cylinder 4 . Due to the small inner diameter of the fuel supply 2 and the fuel lines in the interior of the injection valve 1 , a convective heat exchange can also be virtually eliminated. In practice, only that amount of fuel will be heated which is pending for direct injection into the cylinder of FIG. 4 .
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Er findung, die jedoch auf demselben Funktionsprinzip bzw. demselben Verfahren beruht. Statt der elektri schen Widerstandsheizungen 6a, 6b sind hier jedoch Wärmeübertragungseinrichtungen 11a, 11b eingesetzt, von welchen die Zufuhr von thermischer Energie auf den Kraftstoff in den jeweils zugeordneten kraftstoffüh renden Bereichen 9a, 9b mittels eines Wärmetransport mediums, insbesondere eines Fluids, erfolgt. Statt der Stromleitungen 7 weist der Aufbau gemäß Fig. 2 deshalb Leitungselemente 12 auf, in welchen das Wärmetrans portmedium zirkuliert. Die Zirkulation kann dabei auf grund von temperaturbedingten Dichteunterschieden in dem Wärmetransportmedium selbsttätig erfolgen oder durch eine Fluidfördereinrichtung 13 aufrecht erhalten werden. Fig. 2 shows an alternative embodiment of the invention, but based on the same principle of operation or the same method. Instead of the electrical resistance heaters 6 a, 6 b here, however, heat transfer devices 11 a, 11 b are used, of which the supply of thermal energy to the fuel in the respectively assigned fuel-carrying areas 9 a, 9 b by means of a heat transfer medium, in particular one Fluids. Instead of the power lines 7 , the structure according to FIG. 2 therefore has line elements 12 in which the heat transfer medium circulates. The circulation can take place automatically due to temperature-related density differences in the heat transport medium or can be maintained by a fluid delivery device 13 .
Die thermische Energie, welche das Wärmetransportmedi um in den Wärmeübertragungseinrichtungen 11a und/oder 11b auf den Kraftstoff überträgt, stammt dabei aus dem Abgas der Brennkraftmaschine selbst. Dazu befindet sich in dem Bereich eines Abgasauslasses 14 bzw. eines Abgaskrümmers 14 eine Wärmetauschereinrichtung 15, in deren Bereich das Wärmetransportmedium thermische Energie aus dem den Abgasauslaß 14 durchströmenden, heißen Abgas des bzw. der Zylinder 4 der Brennkraftma schine bezieht.The thermal energy that the heat transfer medium transfers to the fuel in the heat transfer devices 11 a and / or 11 b comes from the exhaust gas of the internal combustion engine itself. For this purpose, there is a heat exchanger device 15 in the area of an exhaust gas outlet 14 or an exhaust manifold 14 , in whose area the heat transfer medium receives thermal energy from the hot exhaust gas flowing through the exhaust outlet 14 of the cylinder 4 or the internal combustion engine.
Das weitere Funktionsprinzip sowie das Vorhandensein der Wärmeübertragungseinrichtung 11a und/oder der Wär meübertragungseinrichtung 11b mit den Leitungselemen ten 12 und der Wärmeaustauscheinrichtung 15, im Prin zip also einem Heatpipe-System, gilt dabei analog dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der elektrischen Widerstandsheizung 6a und/oder 6b. Aller dings kann mittels der Heatpipe thermische Energie aus der Abwärme genutzt werden.The further functional principle and the presence of the heat transfer device 11 a and / or the heat transfer device 11 b with the line elements 12 and the heat exchange device 15 , in principle, therefore, a heat pipe system, applies analogously to the embodiment described in FIG. 1 with the electrical Resistance heater 6 a and / or 6 b. However, thermal energy from the waste heat can be used using the heat pipe.
Auch die zur Verdichtung der Kraftstoffs in der Rail benötigte Energie wird bei dem beschriebenen Verfahren geringer ausfallen, so daß, insbesondere auch bei der Variante mittels der Heatpipe, der Gesamtenergiebedarf der Common-Rail-Brennkraftmaschine verbessert werden kann.Also for compressing the fuel in the rail required energy is in the described method turn out to be lower, so that, especially with the Variant using the heat pipe, the total energy requirement the common rail internal combustion engine can be improved can.
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