DE3243176A1 - Einspritzeinrichtung fuer alkoholkraftstoffe, insbesondere bei direkteinspritzenden dieselmotoren - Google Patents

Einspritzeinrichtung fuer alkoholkraftstoffe, insbesondere bei direkteinspritzenden dieselmotoren

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DE3243176A1 DE19823243176 DE3243176A DE3243176A1 DE 3243176 A1 DE3243176 A1 DE 3243176A1 DE 19823243176 DE19823243176 DE 19823243176 DE 3243176 A DE3243176 A DE 3243176A DE 3243176 A1 DE3243176 A1 DE 3243176A1
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

Wiegand, Herbert, Dipl.-Ing.
Barbarastr.
5000 Köln
Baumert Klaus, Dipl.-Ing
Busonweg 20
53JOO Bonn 3
Einspritzeinrichtung für Alkoholkraftstoffe, insbesondere bei_direkteinsp_ritzenden_Dieselmgtoren
Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung für alternative Alkoholkraftstoffe (Äthanol, Methanol), insbesondere bei direkteinspritzenden Dieselmotoren, um die selbstzündungsunwilligen Alkoholkraftstoffe in Motoren ohne Fremdzündung verarbeiten zu können.
Bei der Verwendung von alternativen Alkoholkraftstoffen bei direkteinspritzenden Dieselmotoren ist es erforderlich, die Temperatur im Brennraum eines direkteinspritzenden Dieselmotors mit einem selbstzündungswilligen Kraftstoff (Dieselkraftstoff) während der Einspritzphase des selbstzündungsunwilligen Alkoholkraftstoffes soweit anzuheben, daß dessen Selbstzündungstemperatur erreicht wird.
Es ist bekannt, daß zur Verarbeitung selbstzündungsunwilliger Alkoholkraftstoffe in Motoren ohne Fremdzündung besondere Maßnahmen erforderlich sind [1], Dies kann man einmal dadurch erreichen,, daß durch Beimischung eines Zündbeschleunigers, wie z.B. Kerobrisol oder Aitiylnitrat, die für die Selbstzündung notwendige Temperatur'
2" -
herabgesetzt wird. Zum anderen erreicht man dies durch Maßnahmen am Motor und zwar dadurch, daß das Temperaturniveau gegen Ende des Kompressionstaktes bis über die Selbstzündungstemperatur angehoben wird.
Wie aus der Polytropengleichung für die Temperatursteigerung während der Kompression hervorgeht,'ist die Temperatur der Ladung am Ende des Kompressionstaktes im wesentlichen von der Temperatur beim Schließen des Einlaßventils und von der Höhe des Verdichtungsverhältnisses abhängig. Neben der Anhebung des Verdichtun.gsverhältnisses ist also die Erhöhung der Ansauglufttemperatur von Bedeutung. Letzteres kann entweder durch Aufheizung der Ansaugluft oder durch Mischung derselben mit heißen Abgasen erfolgen, die entweder von einem separaten Brenner 5 oder einfach aus der Abgasleitung des Motors entnommen werden können.
Bei den meisten Dieselmotoren wird wegen des hohen Zündverzugs im Augenblick der Zündung bereits eine relativ große Menge zündfähigen Gemisches vorhanden sein, was zu schlagartiger Verbrennung mit allen negativen Auswirkungen auf das Triebwerk und die Lärmabstrahlung führt. Das M-Verfahren von MAN vermeidet diese Schwierigkeit mit Hilfe der Wandanlagerung des Kraftstoffes, womit sichergestellt ist, daß einmal bei Brennbeginn nur kleine Kraftstoffmengen aufbereitet sind und daß die weitere Verbrennung unter Zuhilfenahme der Luftdrehung kontrolliert abläuft. Allerdings hat sich hierbei gezeigt, daß Start und Warmlaufen im reinen Alkoholbetrieb nur mit Hilfe einer Starthilfe, z.B. auf der Basis einer Startpilotanlage, zu bewerkstelligen waren. Wird vor dem Abstellen des Motors jeweils auf Dieselkraftstoff umgeschaltet, so kann der spätere Start im reinen Dieselkraftstoffbetrieb durchgeführt werden. Die Einspritzausrüstung unterscheidet
sich von der des konventionellen Vielstoffmotors durch ein wegen des geringeren Heizwertes vergrößertes Pumpenelement.
Als weitere Gemischbildungsverfahren zum Betreiben von direkteinspritzenden Dieselmotoren mit Alkoholkraftstoffen sind die Saugrohreinspritzung von Methanol, die Dieselkraftstoff-Methanol-Emulsionsmethode und die Direkteinspritzung von Methanol untersucht worden [2]. Bei der Saugrohreinspritzung wird Methanol der angesaugten Luft im Saugrohr beigemischt. Die Zündung übernimmt der konventionell eingespritzte Dieselkraftstoff. Aufgrund verschiedener Probleme - z.B. führt im Teillastbereich dieses Verfahren zu Zündaussetzern, so daß der Methanolanteil in diesem Betriebsbereich stark vermindert werden muß 5 ist eine Substitution von Dieselkraftstoff durch Methanol mit Hilfe der Saugrohreinspritzung nach dem heutigen Entwicklungsstand nur in beschränktem Maße möglich. Ähnliche Probleme traten auch bei der Emulsionsmethode auf, bei der eine Mischung von Dieselkraftstoff und Methanol anstelle von Dieselkraftstoff verwendet wurde. Da bis heute noch keine Methode bekannt ist, eine stabile Mischung zwischen Dieselkraftstoff und Methanol herzustellen, muß durch ständige intensive mechanische Vermischung eine Emulsion im Kraftstoffsystem erzeugt werden. Infolge der hohen Verdampfungswärme 'wirkt sich das emulgierte Methanol nachteilig auf den Zündverzug des Dieselkraftstoffs aus und im Teillastbereich ergeben sich erhöhte HC- und CO-Emissionen und es können sogar Zündaussetzer auftreten.
Die Direkteinspritzung von Methanol in Verbindung mit einem Dieselkraftstoff-Zündstrahl, das sog. Zündstrahlverfahren, bietet hier bessere Möglichkeiten [2]. Die Untersuchungen mit Direkteinspritzung von Methanol wurden für zwei verschiedene Direkteinspritzverfahren durchge-
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führt. Es handelt sich hierbei um Brennverfahren, die unter der Bezeichnung D und Z von KHD verwendet werden 13],[4]. Die Gemischbildung wird.bei beiden Brennverfahren durch einen im Ansaugkanal· erzeugten Luftwirbel unterstützt. Das D-Verfahren arbeitet mit wandnaher Einspritzung in eine tiefe Mulde, wobei sich in Verbindung mit einem hohen Luftdrall eine starke Ladungsschichtung in Form eines Gemischringes ergibt. Im Zweistoffbetrieb wird das Methanol mit der für reinen Dieselbetrieb herkömmlichen Zweilochdüse wandnah eingespritzt. Zum Einleiten der Verbrennung wird ein Dieselkraftstoffzündstrahl mittels einer zusätzlichen Einlochdüse in den Brennraum eingebracht. Die Richtung des Zündstrahls ist so gewählt, daß der Dieselkraftstoff-Zündstrahl im gesamten Drehzahlbereich als sichere Zündfackel für das Methanol-Luft-Gemisch dient. Beim Z-Verfahren wird der Brennstoff im serienmäßigen Dieselbetrieb durch eine zentral angeordnete Vierlochdüse raumverteilt in eine offene, flache Brennraummulde gespritzt. Im Zweistoffbetrieb mit Methanol wird das sichere Zünden mit Hilfe einer diagonal durch den Brennraum spritzenden Dieselkraftstoff-Einspritzdüse mit relativ großer freier Strahllänge erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei direkteinspritzenden Dieselmotoren für Alkoholkraftstoffe den zündwilligen Dieselkraftstoff und den zündunwilligen Alkoholkraftstoff mit Hilfe einer Einspritzeinrichtung so in den Brennraum einzuspritzen, daß durch den zündwilligen Dieselkraftstoff, dessen Einspritzbeginn zeitlich vor dem Einspritzbeginn für den Alkoholkraftstoff liegen muß, das Temperaturniveau im Brennraum gegen Ende des Kompressionstaktes bis über die Selbstzündungstemperatur des Alkoholkraftstoffes angehoben wird und/oder mit Hilfe des Dieselkraftstoffs ein Einleiten der Verbrennung und ein sicheres Zünden im ganzen Betriebsbereich des Motors erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Zweistoffsystem Diesel- und Alkoholkraftstoff der Alkoholkraftstoff kontinuierlich, z.B. mit Hilfe einer Zahnradpumpe, der Dieselkraftstoff diskontinuierlich mit einer Einspritzpumpe bekannter Bauart über getrennte Druckleitungen der Einspritzeinrichtung zugeführt werden. Das öffnen und Schließen der Spritzlöcher für den Diesel- und Alkoholkraftstoff bewirkt der von der Einspritzpumpe geförderte Dieselkraftstoff jeweils über ein flüssigkeitsgesteuertes Nadelventil bekannter Bauart [5]. Durch die Düsennadel, die mit starker, einstellbarer Vorspannung auf den Ventilsitz gedrückt wird, kann der öffnungsdruck p.. so vorgegeben werden, daß in bestimmten Grenzen zeitlich verschiedene Öffnungs- und Schließzeiten für die beiden flüssigkeitsgesteuerten Nadelventile eingestellt werden können. Falls erforderlich und für das Betreiben eines direkteinspritzenden Dieselmotors erwünscht, kann auch der Dieselkraftstoff mit einer Zahnradpumpe kontinuierlich und der Alkoholkraftstoff diskontinuierlich mit einer Einspritzpumpe geeigneter Bauart der Einspritzeinrichtung zugeführt werden, so daß über den Alkohölkraftstoff die Steuerung der .beiden Nadelventile erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt Fig. 1 einen Düsenkörper (10) mit einem Druckkanal (11) für Dieselkraftstoff, der über einen Ringkanal (12) den Dieselkraftstoff über die Druckkanäle (13) und (14) zu den Druckkammern (15) und (16) führt, so daß bei Erreichen des Öffnungsdruckes p», der für die flüssigkeitsgesteuerten Nadelventile (17) und (18) getrennt voneinander an den Druckfedern (19) und (20) über die Druckeinstellscheiben (21) und (22) eingestellt werden kann, das Nadelventil (17) und das Nadelventil (18) in gewissen Grenzen zeitlich unabhängig voneinander betätigt
werden können. Der Druckkanal (13) für den Dieselkraftstoff führt von der Druckkammer (15) weiter bis zum Sackloch (23), von wo bei geöffnetem Nadelventil (17) der Dieselkraftstoff durch das Spritzloch (24) in den Brennraum (25) eintreten kann. Der Druckkanal (14) endet in der Druckkammer (16), so daß die in diesen Druckkanal eintretende Flüssigkeit nur zur Steuerung des Nadelventils (18) dient. Durch den Druckkanal (26) strömt über die Sammelkammer (27) die zweite Kraftstoffkomponente - im hier beschriebenen Fall Alkoholkraftstoff - bis zum Sackloch (28), von wo bei geöffnetem Nadelventil (18) der Alkoholkraftstoff über, das Spritzloch (29) in den Brennraum (25) eintreten kann. Die Passung des Nadelventils (18) in dem Düsenkörper (10) zwischen der Druckkammer (16) und der Sammelkammer (27) entspricht der üblichen Passung bei flüssigkeitsgesteuerten Nadelventilen. Da erfindungsgemäl? am Nadelventil (18) der Druck der Steuerflüssigkeit größer ist als der Druck der einzuspritzenden Flüssigkeit, geht die Strömungsrichtung der Leckflüssigkeit von der Druckkammer (16) zu der Sammelkammer (27). Durch die Saugschlitze (30a;30b) wird erreicht, daß im engsten Querschnitt der Spritzlöcher (24) und (29) Luft aus dem Brennraum (25) angesaugt wird, so daß mit Diesel- und Alkoholkraftstoff Zweiphasenströmungen entstehen, die über die Spritzlöcher (24) und
(29) in den Brennraum (25) eintreten [6]. Um optimale Strömungsbedingungen in den Spritzlöchern (24) und (29) zu erreichen, kann diesen eine diffusorartige Erweiterung (31a;31b) mit zylindrischem Teil (32a;32b) nachgeschaltet werden.
In Fig. 2 ist die Anordnung des Ringkanals (12) in dein Düsenkörper (10) mit den Druckkanälen (13) und (14) für den Dieselkraftstoff und dem Druckkanal (26) für den Alkoholkraftstoff mit den flüssigkeitsgesteuerten Nadelventilen (17) und (18) dargestellt.
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Fig. 3 zeigt eine mögliche Einspritzanordnung für das Z-Verfahren [3],[43. Hierbei wird der aus dem Sackloch (23) austretende Dieselkraftstoff über ein Spritzloch (24) diagonal so in den Brennraum (25) eingespritzt, daß er als Zündfackel für den Alkoholkraftstoff dient, der über das Sackloch (28) durch 4 Einspritzbohrungen (29a - 29d) in den Brennraum (25) gelangt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei direkteinspritzenden Dieselöl 0 motoren mit einer Einspritzeinrichtung, die erfindungsgemäß als Zweistoffeinspritzdüse ausgeführt ist, Dieselkraftstoff und Alkoholkraftstoff in einen Brennraum so eingespritzt werden können, daß der selbstzündungswillige Dieselkraftstoff während der gesamten Einspritzzeit als Zündhilfe für den selbstzündungsunwilligen Alkoholkraftstoff dient. Im Zweistoffbetrieb wird der Alkoholkraftstoff gegen Ende des Verdichtungstaktes in den Brennraum eingespritzt; die Einspritzung des Dieselkraftstoffs beginnt kurz zuvor und zwar derart, daß der öffnungsdruck p.. an dem flüssigkeitsgesteuerten Nadelventil (17) für den Dieselkraftstoff an der Druckeinstellscheibe (21) auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird als an dem flüssigkeitsgesteuerten Nadelventil (18) mit der Druckeinstellscheibe (22) für den Alkoholkraftstoff.
Ein weiterer, sehr wesentlicher Vorteil der Einspritzeinrichtung ist, daß bei der Direkteinspritzung von Diesel- und Alkoholkraftefcoff zur Steuerung der beiden Haäelventile (17;18) *ur eine Kraftstoffkomponente erforderlich ist, und zwar diejenige Komponente, die diskontinuierlieh durch eine Einspritzpumpe gefördert wird, so daß zur Förderung der zweiten Kraftstoffkomponente keine zweite Einspritzpumpe, sondern eine in Aufbau und Betrieb wesentlich einfachere und preisgünstigere Zahnradpumpe,
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die kontinuierlich fördert, ausreicht. Dadurch, daß die Ansteuerung der beiden Nadelventile (17;18) von ein- und derselben Einspritzpumpe in einem Steuerkreis erfolgen kann, sind auch die unterschiedlichen Zeiten für das öffnen und Schließen der beiden Nadelventile (17;18) exakt einstellbar.
Weiterhin kann mit den Saugschlitzen (30a;30b) an der engsten Stelle der Spritzlöcher (24;29) Strahlhärte und -eindringtiefe in der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung so beeinflußt werden, daß eine Ladungsschichtung im Brennraum entsteht.
Mit Hilfe von theoretischen Ansätzen und von Kennwerten, die aus Versuchen zu ermitteln sind, kann die erfindungsgemäße Einspritzeinrichtung für Diesel- und Alkoholkraftstoff so ausgelegt werden, daß eine optimale Substitution von Dieselkraftstoff durch Alkoholkraftstoff bei günstigen Zündbedingungen für eine vorgegebene Brennraumgröße und -geometrie erzielt wird.
Die Schwierigkeiten, die Alkoholkraftstoffe bei der Hochdruckeinspritzung bereiten, sind in [7],[8] ausführlich beschrieben. Insbesondere führt die niedrige Viskosität zu Verschleißerscheinungen an spezifisch hochbelasteten Stellen. Diese Probleme können mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen pumpenseitig weitgehend als gelöst betrachtet werden, da eine Einspritzpumpe für Alkoholkraftstoff entfallen kann. Ebenso lassen sich die Verschleißprobleme an spezifisch hochbelasteten Stellen durch die niedrige Viskosität der Alkoholkraftstoffe dadurch vermeiden, daß durch den an diesen Stellen als Lecköl fließenden Dieselkraftstoff eine Schmierwirkung erzielt wird.
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Schrifttum:
ViX
[1]
Neuen Kraftstoffen auf der Spur (Alternative Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge) .
Herausgegeben vom BMFT, TÜV Rheinland (1974).
[2] Pischinger, F. Havenith, C. Finsterwalder, G. Methanol-Direkteinspritzung bei Fahrzeugdieselmotoren.
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[3] Pischinger, F. Ein neues Brennverfahren für Fahrzeugdieselmotoren.
MTZ 27 (1966) H.10.
[4] Pischinger, F. Der Verbrennungsablauf im Dieselmotor aus neuerer Sicht.
VDI-Zeitschrift 111 (1969) H.7, S. 430 - 434.
[5]
Düsen und Düsenhalter.
Druckschrift VDT-D 6/2 De (5.80) der Firma Robert Bosch GmbH, Stuttgart.
[6] Wiegand, H. Bäumer, K. Einspritzeinrichtung, insbesondere bei direkteinspritzenden Dieselmotoren.
Aktenzeichen der Patentanmeldung: P 32 41 679.2 vom 11.11.1982.
Aktenzeichen der Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung:
G 82 31 639.2 vom 11.11.1982.
[7] Hardenberg, H. Probleme der Verwendung alternativer Kraftstoffe für Dieselmotoren.
VDI Fortschr.-Ber. VDI-Z. R.6, Nr.85 (1981), S. 187 - 2C9.
[8] Schwartz, R. Konsequenzen von alternativen Kraftstoffen für die Dieseleinspritztechnik.
VDI Fortschr.-Ber. VDI-Z. R.6, Nr. 85 (1981) , S. 210 - 223.
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Claims (10)

  1. - ve - -
    Patentansprüche:
    / 1 ./Einspritzeinrichtung zur Kraftstoffeinspritzung, insbesondere für alternative Alkoholkraftstoffe bei direkteinspritzenden Dieselmotoren, bei denen am Ende des Kompressionstaktes aus einem Spritzloch Dieselkraftstoff und aus ein oder mehreren Spritzlöchern Alkoholkraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzbeginn des zündwilligen Dieselkraftstoffs zeitlich vor und das Einspritzende zeitlich nach dem Einspritzbeginn und -ende für den zündunwilligen Alkoholkraftstoff liegt, so daß während des gesamten Einspritzvorganges der Dieselkraftstoff als Zündhilfe für den Alkoholkraftstoff zur Verfügung steht.
  2. 2. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Steuerung des unterschiedliehen Einspritzbeginns und -endes zwischen dem Dieselkraftstoff und dem Alkoholkraftstoff dadurch erreicht wird, daß die Druckeinstellscheiben (21;22) auf einen unterschiedlichen öffnungsdruck p.. eingestellt werden.
  3. 3. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Nadelventils (17) für den Dieselkraftstoff und das Nadelventil (18) für den Alkoholkraftstoff nur eine Flüssigkeit in dem Zweistoff-Einspritzsystem erforderlich ist.
  4. 4. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zweistoff-Einspritzsystem Diesel- und Alkoholkraftstoff die Flüssigkeit, mit der die Nadelventile (17; 18) gesteuert werden, von einer Einspritzpumpe gefördert, die andere Flüssigkeit von einer Zahnradpumpe bei kontinuierlicher Förderung diskontinuierlich eingespritzt wird.
  5. 5. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit, die die Nadelventile (17;18) steuert, über einen Ringkanal (12) den Druckkanälen (13; 14) zugeführt wird.
  6. 6. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit einer Steuerflüssigkeit betriebenen Nadelventil (18) die Leckflüssigkeit zwischen der Druckkammer (16) und der Sammelkammer (27) zu dieser geführt wird, so daß eine zusätzliche Leckölflüssigkeitsbohrung entfällt.
  7. 7. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Sackloch (23) für den Alkoholkraftstoff in einem oder mehreren Spritzlöchern (29) mündet.
  8. 8. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzlöcher (23;29) im engsten Querschnitt über die Saugschlitze (30a;30b) mit dem Brennraum (25) in Verbindung stehen, so daß in der diffusorartigen Erweiterung der Spritzlöcher mit anschließendem zylindrischem Teil eine Zweiphasenströmung der betreffenden Flüssigkeit entsteht, die durch zeitlich unterschiedliche Ansteuerung der Nadelventile (17;18) als Schichtladung in den Brennraum (25) eingebracht wird.
  9. 9. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzloch (24) für den Dieselkraftstoff unter einem solchen Winkel zu dem oder einem der Spritzlöcher (29) für den Alkoholkraftstoff steht, daß die Einspritzstrahlen von Dieselkraftstoff und Alkoholkraftstoff im Brennraum (25) so aufeinandertreffen, daß der Dieseleinspritzstrahl als Zündstrahl wirkt.
  10. 10. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber dem Alkoholkraftstoff unter einem etwas höheren Druck stehende Dieselkraftstoff als Lecköl von der Druckkammer (16) zu der Sammelkammer (27) fließt, so daß das Nadelventil (18) in diesem Abschnitt eine Schmierwirkung durch den Dieselkraftstoff erfährt. .
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