DE29923234U1 - Motor mit verringerter NOX Emission - Google Patents

Motor mit verringerter NOX Emission

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Description

199-1378
Motor mit verringerter NOx Emission
Die Erfindung betrifft eine Motor mit Benzindirekteinspritzung.
Es ist bekannt, dass bei stöchiometrischem Betrieb des Motors durch die Rückführung von Abgas die NOx Emission verringert werden kann. Bei mittleren Lasten kann ein gut abgestimmter Motor Rückfürraten von bis zu 30 %, bezogen auf die Frischladungsmasse, tolerieren. Bei diesen AGR Raten ist der Motor annähernd entdrosselt. Für einen Serienmotor mit Tumble Einlasskanälen ohne Direkteinspritzung konnte eine AGR Rate von 32 % erreicht werden. Dabei läuft der Motor nahe an der Stabilitätsgrenze von 0.2 bar als Standardabweichung für den Druck im Brennraum (IMEP-indicated meand effective pressure). Dabei wird ein Zündwinkel von gut 60° vor OT benötigt was bei schnell wechselnden Lastbedingungen problematisch sein kann. Daher würde eine typische Fahrzeugabstimmung etwa bei 15% AGR Rate gewählt, wobei immer noch ein Zündwinkel von 50° vor OT notwendig ist. Mit dieser Einstellung kann die Stickoxid von 18 auf 6 g/kWh reduziert werden. Diesen Wert bei stöchiometrischem Betrieb des Motors (Luft-Kraftstoffverhätnis ungefähr gleich 1) noch weiter zu verringern war Aufgabe der Erfindung.
Aus EP-A1-0916824 ist eine Motor mit Direkteinspritzung, einer Verbrennungskammer zwischen der Unterseite des Zylinderkopfes, der Oberseite des Kolbens im übrigen umgeben von der Zylinderlauffläche, sowie mit zwei Lufteinlasskanälen mit Ventilen und einem Luftauslasskanal mit Ventil schliesslich mit zwei Zündkerzen bekannt. Gegenüber der Kolbenachse bzw. Zylinderachse ist der Injektor geneigt. Der Lufteinlasskanal verläuft jedoch im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse. Der Motor soll für einen Magerbetrieb geeignet sein und wegen der verringerten Temperatur weniger NOx emittieren.
Die Verwendung von zwei Zündkerzen in Verbindung mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung ist auch aus DE 2944339 und DE 3019330 bekannt. Die Verwendung von zwei Zündkerzen und das gerichtete Einspritzen von Kraftstoff,
1·
insbesondere in Verbindung mit einer Mulde in der Oberfläche des Kolbens sollte zu einer besseren Verbrennung des Kraftstoffes führen.
Hier setzt auch die Erfindung an, indem für eine stöchiometrischen Betrieb des Motors die Lufteinlasskanäle beide als Füllungskanäle (also ohne Einrichtung zur Drallerzeugung, mit möglichst geringen Strömungswiderstand) ausgebildet sind und diese sowie der Injektor relativ zur Kolbenachse eine bestimmte Neigung aufweisen. In einer Referenzebene, die durch die Kolbenachse und die Injektordüse geht, weist der Injektor einen Winkel zur Kolbenachse Theta 1 auf. In Projektion auf diese Referenzebene ist wenigstens einer der Lufteinlasskanäle so angeordnet und gestaltet, dass ein etwa linearer Abschnitt im Bereich der Zylinderkopfaussenfläche vorgesehen ist und die Mittellinie dieses linearen Abschnittes zur Kolbenachse einen Winkel Theta 2 bildet. Ferner soll erfindungsgemäss gelten, dass der Winkel Theta 2 grosser als der Winkel Theta 1 ist. Diese Winkel sind insbesondere so gewählt, dass der 90° Winkel zwischen Kolbenachse und der unteren Zylinderkopfoberfläche etwa gedrittelt wird. Die Verwendung von zwei Füllungskanälen führt zu einer erheblichen Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades. Dies gilt besonders bei niedrigen Drehzahlen, bei denen das maximale Drehmoment noch nicht erreicht ist. Ausserdem wird auch das Drehmoment in diesem Drehzahlbereich erheblich gesteigert. Insbesondere gilt dies wenn einer der Lufteinlasskanäle mit einer Absperreinrichtung versehen ist. Bevorzugt sind die Zündkerzen symmetrisch zur Referenzebene angeordnet, so dass in Verbindung mit einer ebenfalls symmetrischen Anordnung der Einlassventilsitze eine erhöhte Zuverlässigkeit der Gemischzündung erreicht wird
Bevorzugt weisen die Einlasskanäle nahe dem Ventilsitz eine andere Neigung Theta 3 zur Kolbenachse als stromaufwärts auf. Insbesondere ist die Neigung Theta 3 der Einlasskanäle nahe dem Ventilsitz zur Kolbenachse kleiner als Theta I.
Dadurch, dass die Injektorneigung gegenüber der Neigung des Einlasskanals (im Bereich der Zylinderkopfaussenfläche bzw nahe dem Ventilsitz) einen mittleren Wert aufweist, wird schon beim Einspritzen des Kraftstoffes eine verbesserte Durchmischung mit der angesaugten Luft erreicht.
2.
Durch einen spitzen Öffnungswinkel des Kraftstoffstrahles - in Verbindung mit der Neigung der Ventilachse - wird verhindert, dass die Ventile angesprüht werden. Schliesslich wird der Kraftstoffstrahl im Wesentlichen in die Mitte des Zylinders gelenkt und bereits im Ansaugtakt injiziert. ·
Weiter ist es vorteilhaft, die Zündkerzen weder zu weit zur Mitte hin, noch zu weit zum Rand hin, anzuordnen. Bevorzugt ist ein Abstand (X) der Zündkerzen für den das Verhältnis (XfB) zum Kolbendurchmesser (B) in einem Wertebereich zwischen 0,2 und 0,8 liegt.
In der oberen Begrenzungsfläche des Brennraumes sind die Mittelpunkte der Zündkerzen (etwa die Mittenkontakte) äquidistant zu den Mittelpunkten der benachbarten Einlass/Auslassventilsitze angeordnet. Dadurch kann sich bezogen auf die Ebene (Kurbelachsenebene), die senkrecht zur Referenzebene liegt und durch die Kolbenachse geht, eine leicht exzentrische Anordnung der Zündkerzen ergeben.
Der Abstand (Y) zur Kurbelachsenebene ist bevorzugt so gewählt, .dass Y/B im Wertbereich zwischen 0,05 und 0,3 liegt. Dies wirkt sich günstig auf die Bremsgeschwindigkeit des Gemisches aus.
In der Projektion auf die die Kqpfunterseite gehende Ebene, ist der Auslasskanal gegenüber der Referenzebene geneigt, wobei in der Draufsicht bei gekrümmtem Auslasskanal, insbesondere die Verbindungslinie zwischen Ventilsitzmittelpunkt, bzw. dessen Projektion und dem Mittelpunkt der Anschlussöffnung des Auslasskanals an der Zylinderkopfaussenseite bzw. von dessen Projektion gegenüber der Referenzebene geneigt ist.
In der Projektion auf die Ebene durch die Zylinderkopfunterseite sind die Einlasskanäle gegenüber der Referenzebene ebenfalls geneigt. Bei gekrümmten Einlasskanälen bezieht sich diese Angabe auf die Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Ventilsitze und den Mittelpunkten der Einlasskanalöffnungen an der Zylinderkopfaussenseite. Die erfindungsgemässe Konstruktion führt dazu, dass
• S ·
• ·
eine insgesamt schnellere Verbrennung erreicht wird; Dies führt dazu, dass Schwankungen in der Brenngeschwindigkeit vermindert werden. Die beschriebene Motor kann aufgrund der erreichten erhöhten Verbrennungsgeschwindigkeit über einen erweiterten Drehzahlbereich hinsichtlich der Masszahl von 50 % Umsatzrate des gezündeten Gemisches in oder sehr nahe an dem optimalen Zeitpunkt von 8° nach OT gefahren werden. Dadurch ergibt sich ein insgesamt verbesserter Wirkungsgrad.
Die beiden Einlasskanäle sind bevorzugt symmetrisch zur Referenzebene ausgebildet und verlaufen in der Projektion möglichst gradlinig.
Das erfmdungsgemässe Verfahren zum Betrieb des zuvor geschilderten Motors sieht vor, dass der Zündzeitpunkt später als 50° vor OT und die maximale AGR Rate etwa 40% bezogen auf die Frischladungsmasse (Luft- und Kraftstoffmasse) beträgt.
Bevorzugt beträgt die AGR Rate bei einem Lastschnitt bei 2500/min und bei mittlerer Last etwa 30% und der Zündzeitpunkt bezogen auf die Drehung der Kurbelwelle etwa 40° vor OT. Diese relativ späten Zündzeitpunkte erlauben bei schnell wechselnden Lastbedingungen eine zuverlässigeres Nachführen des Zündzeitpunktes.
Durch die grossen AGR Raten kann der Motor weitgehend entdrosselt betrieben werden. Dies verbessert die Drehmomentabgabe. Ausserdem wird durch die mit dem Abgas eingebrachte Wärme die Verdampfung des Kraftstoffes beschleunigt und verstärkt Kondensation bei kaltem Motor verhindert. Die erhöhte AGR Rate führt zu deutlich verminderter NOx Emission bis auf etwa 3 g/kWh ohne HC Emissionen zu verstärken.
Anhand der in den Figuren 1-5 dargestellten Ausführung wird die Erfindung näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Motor 1 mit Luftzuführungssystem 2, Kraftstoffzuführungssystem 3,3' Abgassystem 4, Elektronische Steuereinheit 5. '.
4.
Der Motor weist einen Zylinderkopf 11, Block 12, Kurbelwellengehäuse 13 auf. Im Zylinderkopf sind Ventile 14, Luftzuführungskanäle 15, Luftauslasskanäle 16, Zündkerzen 17 und Injektor 18 angeordnet.
Das Luftzuführungssystem ist -mit seiner Leitung 20, mit den Luftzuführungskanälen 15 verbunden. In der Leitung 20 befindet sich ein Luftmengensensor 21 eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe 22 sowie ein Anschluss für die Rückführung von Abgas 23.
Das Kraftstoffzuführungssytem 3 ist mit dem Injektor 18 verbunden. Es weist eine Hochdruckpumpe 30 und eine am Kraftstoffzuführungssystem 3' in der Nähe des Kraftstofftanks angeordnete Niederdruckpumpe 31 auf.
Das Abgassystem 4 ist mit der Leitung 40, mit dem Auslasskanal 16 verbunden. In dieser Leitung ist ausserdem der NOx-Katalysator 41 angeordnet.
Die Motorsteuerung 5 ist mit dem Sensor 21 für die Luftmassenstrommessung, der Einstelleinrichtung 52 für die elektronische Drosselklappe, der Steuereinrichtung 53 für die Steuerung/Regelung der Abgasrückführungsmenge, den Pumpen 31 und 30, den Zündkerzen 17 sowie Sauerstoff sensoren 54 und 55 verbunden.
Figur 2 zeigt schematisch für einen Zylinder die Ansicht auf die Zylinderkopfunterseite an den kreisförmigen Brennraum 100 sind Einlasskanäle 101 und 102, sowie ein Auslasskanal 103 angeschlossen. Zwischen den Einlasskanälen ist der Injektor 104 angeordnet, der in einem Durchlass 105 in den Brennraum mündet. Die Einlasskanäle münden in Ventilsitzringe 106 und 107. Der Auslasskanal mündet in den Ventilsitzring 108. Zwischen den Ventilsitzringen von Einlass- und Auslasskanal sind die Zündkerzen 109 und 110 angeordnet. Mit Bezug auf die Referenzebene 111, die durch die Kolbenmittelachse und die Mitte der Injektoröffnung 105 geht, sind die Einlasskanäle im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet. Der Auslasskanal 103 kann in einem Winkel zur Referenzebene verlaufen. Das Verhältnis zwischen Abstand X der Zündkerzen und dem Durchmesser B des Brennraumes (der Bohrung) 100 beträgt hier 0,59. Die
* it
it &Lgr;
:· I
Zündkerzen 110 urd 109 sind um das Mass Y exzentrisch zur Kurbelwellenachsenebene angeordnet. Das Verhältnis Y/B beträgt hier 0,07.
Fig. 3 zeigt in etwa einen Schnitt entlang der Referenzebene 111. Wie in Fig. 3 dargestellt ist die Injektorachse 201 gegenüber der Kolbenachse 200 um den Winkel Theta 1 geneigt. Dieser Winkel beträgt hier 40°. Die Mittellinie 202 eines linearen Abschnittes des Einlasskanals 102 ist um den Winkel Theta 2 gegenüber der Kolbenachse 200 geneigt. Dieser Winkel beträgt hier 60°. Der lineare Abschnitt des Einlasskanals liegt stromaufwärts vom Einlassventilsitz 205. Die Mittellinie 203 des Einlasskanals nahe dem Ventilsitz ist um einen Winkel Theta 3 gegen die Kolbenachse 200 geneigt. Dieser Winkel beträgt hier 20°. Der Kraftstoffstrahl weist in dem Bereich der unmittelbar an die Austrittsöffnung des Injektors grenzt einen spitzen Winkel Theta 4 auf. Dieser Winkel liegt bevorzugt zwischen 40° und 80° und beträgt hier 60°. Die Kopffläche des Kolbens ist bevorzugt etwa eben, allenfalls der Dachform des Brennraumes im Zylinderkopf angepasst. .
In Figur 4 sind Vergleichswerte für zwei Motoren dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt die Ergebnisse für einen 4 Ventilmotor mit Einspritzung im Einlaßkanal. Die durchgezogene Linie zeigt die Ergebnisse für den erfindungsgemässen Motor. Auf der Abszysse ist die AGR Rate aufgetragen. Im Teilbild a) ist die Standardabweichung des Druckes im Brennraum (IMEP) als Maß für die Laufruhe dargestellt. Der erfindungsgemässe Motor läuft auch bei AGR Raten von über 40 % noch mit akzeptabler Laufruhe. Im Teilbild b) ist auch der Ordinate der Zündzeitpunkt aufgetragen. Das mit der Bezeichnung SA bezeichnete Kurvenpaar gibt den Zündzeitpunkt als negative Werte sind die Zündzeitpunkte vor OT aufgetragen. Die Prozentangaben beziehen sich auf den Grad der Umsetzung des gezündeten Gemisches. Der erfindungsgemässe Motor kann auch bis zu AGR Raten von ca. 42 % noch nahe dem Optimum von 8° nach OT für 50 % Umsatz gefahren werden. Im Teilbild c) ist die spezifische NOx Emission aufgetragen. Die gesamte Darstellung gilt für einen Lastschnitt bei 2.500/nin und niedrige Last. Während der Vergleichsmotor der 4 Ventile unter Praxisbedingungen nur bis zu etwa maximal 15 % AGR Rate gefahren werden kann, ist bei etwa vergleichsweise guter Laufruhe beim erfindungsgemässen Motor unter Praxisbedingungen eine AGR Rate von 30 % möglich. Dabei hat der erfindungsgemässe Motor außerdem noch den Vorteil, daß nur eine relativ zum
Vergleichsmotor geringere Vorzündung eingestellt werden muß. Die NOX Emission des erfindungsgemässen Motors ist gegenüber dem Vergleichsmotor etwa halbiert.
In Figur 5 ist auf der Abzysse die Last bei 2.500/nin aufgetragen. Die dargestellten Kurvenverläufe beziehen sich auf den erfindungsgemässen Motor. Die gestrichelte Linie zeigt die Werte ohne AGR. Die durchgezogene Linie zeigt die Werte unter Anwendung der AGR. Im Teilbild a) ist die AGR Rate eingetragen. Sie beginnt bei niedriger Motorlast, bei etwa 20 %, steigt dann mit zunehmender Last schnell auf ein Maximum von 30 % und sinkt dann langsam ab bis hin zu 0 kurz vor Erreichen der Vollast. Im Teilbild b) ist der Zündzeitpunktverlauf über der Last dargestellt. Bei niedriger Last wird der Zeitpunkt auf etwa 40 ° vor OT (hier als negativer Wert angegeben) eingestellt. Bei mittleren Lasten wird die Vorzündung mit steigender Last bei gleichzeitig abnehmender AGR Rate schnell zurückgenommen. Bei hohen Lasten
verursacht die Rückführung von Abgas eine verstärkte Klopfneigung, so dass die Zündung sogar später als ohne Verwendung von AGR eingestellt werden muß. Im Teilbild c) ist der Saugrohrdrack dargestellt. Dieser wird gegenüber dem Betrieb ohne AGR bei großen AGR Raten deutlich angehoben. Bei hoher Last wird der Motor weitgehend entdrosselt betrieben.

Claims (6)

1. Motor mit Direkteinspritzung, mit einer Verbrennungskammer, die zwischen der Unterseite des Zylinderkopfes, der Oberseite des Kolbens und im Übrigen von der Zylinderlauffläche gebildet wird, mit zwei Lufteinlasskanälen mit Ventilen, mit einem Luftauslasskanal mit einem Ventil sowie mit zwei Zündkerzen, dadurch gekennzeichnet, dass ein etwa linearer, stromaufwärts gelegener Abschnitt der Lufteinlasskanäle eine Neigung Theta 2 gegenüber der Kolbenachse aufweisen, die grösser ist als die Neigung Theta 1 des Injektors zur Kolbenachse und dass die beiden Lufteinlasskanäle als Füllungskanäle ausgebildet sind.
2. Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlasskanäle nahe den Ventilsitzen gegenüber der Kolbenachse eine Neigung Theta 3 aufweist, die kleiner als Theta 1 ist.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffstrahl unmittelbar hinter der Auslassöffnung des Injektors einen spitzen Winkel auf.
4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes (X) der Zündkerzen zum Bohrungsdurchmesser (B) zwischen 0,2 und 0,8 liegt.
5. Motor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerzen etwa äquidistant zu dem benachbarten Einlass-/Auslassventilsitz angeordnet sind.
6. Motor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle in der Draufsicht symmetrisch zur Referenzebene ausgebildet sind und etwa parallel zu dieser verlaufen.
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