DE3405558A1

DE3405558A1 - Schadstoffarmer integral-dieselmotor mit dualtreibstoffzufuhr

Info

Publication number: DE3405558A1
Application number: DE19843405558
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. 8000 München Simon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-16
Filing date: 1984-02-16
Publication date: 1985-10-10

Description

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SCHADSTOFFARMER INTERAL-DIESELMOTOR MIT DUALTREIBSTOFFZUFUHR

Beschreibung:

(ter Tecjinik:

Dieselmotoren weisen während der Start-, Beschleunigungs- und Vollastphasen eine verstärkte Schadstoffemission auf. Insbesondere feste Rußbestandteile und angelagerte Zwischenprodukte stellen gegenüber Ottomotoren ungewünschte Komponenten des Verbrennungsvorganges dar.

Diese Komponenten entstehen durch unvollständige Verbrennung bei nicht ausreichender Vermischung der Treibstoffe mit der komprimierten Luft vor dem Verbrennungsvorgang.

Entsprechendes gilt für Rauch- und Geruchstoffe wie bei Weiß- und Blaurauch.

Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, die Vermischung der Treibstoffe vor dem Verbrennungsvorgang deutlich zu verbessern und somit die Entstehung und den Ausstoß von Rauch und Ruß- sowie angelagerten Schadstoffen zu verhindern oder stark zu reduzieren.
Außerdem tann die Leistung erhöht und der Wirkungsgrad verbessert werden.

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Erfindungsgemäß wird ein Teil der Treibstoffe der Verbrennungsluft während des Ansaug- und Verdichtungsvorganges zugemischt. Diese Zumischung kann durch die bei Ottomotoren üblichen Vergaser- oder Einspritzsysteme erfolgen. Die hierbei zugeführte Treibstoffmenge wird so bemessen, daß das entstehende Treibstoff/Luft-Gemisch außerhalb der Zündgrenzen verbleibt. Während des Ansaug- und Verdichtungsvorganges wird dieser Treibstoffanteil vollständig vergast und mit der Verbrennungsluft vermischt. Dadurch entsteht am Ende des Kompressionshubes bei O.T. keine Selbstzündung dieses Teiltreibstoffes.

Erst kurz vor bzw. bei O.T. wird die übliche Dieseleinspritzanlage mit der gewünschten restlichen Treibstoffmenge betätigt. Die übliche Zündung und Verbrennung setzt ein und zündet auch die vorher zugeführte und vergaste Teiltreibstoffmenge. Da die letztere vollständig mit der Luft vermischt war, verbrennt sie fast vollständig ohne Rauch- und Rußbestandteile usw.

Nur die sogenannte Zündölmenge verbrennt nach der Einspritzung mit dem üblichen dieselspezifischen Verdampfungs- und Verbrennungsvorgängen und einem bekannten Schadstoffanteil.

Dieser Schadstoff- bzw. Rußanteil hängt wiederum stark von dem Verbrennungsverfahren insbesondere aber auch von dem Luftüberschuß ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird umso Ruß- bzw. schadstoffärmer arbeiten,je größer die primäre Teiltreibstoffmenge und je kleiner die sekundäre Zündöleinspritz-Treibstoffmenge ist.

Auf jeden Fall wird die vom Motor ausgestoßene Rußmenge im gesamten Betriebsbereich geringer. Der Betriebsbereich bis zur Rauchgrenze wird sicher zu höheren Leistungen und Drehzahlen verschoben.

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Die maximal möglichen primären Teiltreibstoff mengen hängen in erster Linie von den Zündgrenzen des verwendeten Treibstoffes ab. Bei üblichen Vergasertreibstoffen sind diese weitgehend konstant und bekannt sowie in einem Beispiel in der Anlage beigefügt. Danach kann man sicher eine Benzin-Kraftstoffmenge bis zu einem λ = 1.3 ohne Selbstzündung bei der Kompression zuführen. Dies entspricht bereits etwa 3/4-Last eines Ottobzw, fast Vollast eines Üblichen Dieselmotors. Die geringe, minimal mögliche Zündölmenge von ca. 2 - 5 % verursacht hier noch keine nennenswerten Rußanteile. Erst bei höheren sekundär-eingespritzten Treibstoffmengen, die dann nicht nur zur'Zündung, sondern auch zur Leistungssteigerung zugeführt wurden, steigt der Rußanteil zunehmend bis A=I oder darüber.

Dieseltreibstoff verhält sich zwar anders als Vergasertreibstoff und besitzt veränderte Zündgrenzen. Aber auch der Dieseltreibstoff besitzt in bereits vergaster und vorgemischter Form Zündgrenzen, die nach dem genannten Verfahren genutzt werden können.

Bekannt ist u.a., daß Dieselkraftstoff nach Einspritzung in den komprimierten Brennraum nur um die Treibstofftropfen herum in den Bereichen zündet, die momentan etwa ein stöchiometrisches Brennstoff/Luft-Verhältnis von X- 1 aufweisen. Dies ist der Fall, trotzdem der Dieselkraftstoff auf gute Zündwilligkeit hin ausgelegt ist, im Gegensatz zum Vergaserkraftstoff üblicher Ottomotoren (Benziner).

Aber auch die Vergasungsfähigkeit von Dieselkraftstoff erscheint bis zum Ende des Kompressionshubes ausreichend. Erfindungsgemäß soll hier eine Vorwärmung des Kraftstoffs, nötigenfalls eine Vorvergasung, die entsprechend notwendige gute Durchmischung des Kraftstoffgas/Luftgemisches gewährleisten.

Das genannte Verfahren läßt sich erfindungsgemäß bei 4 Taktern bereits während der Ansaugphase anwenden, während bei 2 Taktern erst nach dem Schließen der Auspuffschlitze während der Kompression der primäre Treibstoff eingespritzt oder eingeblasen wird.

Nach dem beschriebenen Verfahren lassen sich neben den genannten üblichen Vergasertreibstoffen auch andere Treibstoffe wie z. B. Methanol, möglicherweise sogar Schweröle,verarbeiten.

Neben dem Effekt der Vermeidung oder starker Ruduktion von Rußbildung lassen sich auch andere Schadstoffanteile, ausgenommen vielleicht NOx, reduzieren.

Neben dieser Schadstoffreduktion läßt sich durch konsequente Anwendung des Verfahrens auch eine Reduktion des spezifischen Treibstoffverbrauchs durch bessere Gemischbildung erreichen. Voraussetzung ist ein gleicher Dieselmotor mit z. B. gleichem Verdichtungsverhältnis und Brennraumverfahren, wobei der Effekt der größeren Zeitspanne die zur besseren, nahezu optimalen Gemischbildung zur Verfügung steht, zum Tragen kommt.

Auch die Erhöhung der maximalen Leistung eines vergleichbaren Motors wird von dem erfindungsgemäßen Verfahren erwartet. Dies gilt insbesondere bei gleichen Grenzen für die Schadstoffemission und wird noch durch eine mögliche Drehzahlerhöhung verstärkt.

Da der übliche Dieselmotor (Direkt und Vorkammer) die hohen Verdichtungsverhältnisse von 16 - 23 nur benötigt, um beim Kaltstart die anfänglichen •Zündungen zu gewährleisten, im Heißbetrieb jedoch mit £_ = 10 - 15'auskäme, wird erfindungsgemäß folgendes vorgeschlagen:

Bei Anwendung von Kraftstoffen mit empfindlichen oder weiten Zündgrenzen, (wie z. B. Methanol und Wasserstoff) oder zur Umgehung dieser Zündgrenzen wird nur zur Startphase ein entsprechend hohes Verdichtungsverhältnis und hohe sekundäre Treibstoffmenge gefahren. Nach der Startphase und während des Dauerbetriebes wird das Verdichtungsverhältnis wieder reduziert. Z. B. das von VW mit einem Einschubzylinder in dem Zylinderkopf getestete Verfahren erscheint je nach Verbrennungsverfahren relativ einfach anwendbar (Direkteinspritzer).

Falls man das Brennraumsystem mit einer Art Lanova-Vorkammer akzeptieren könnte, würde die Vorkammer relativ einfach durch eine Art Nadelventil wahlweise abgetrennt werden können.

Nach der Warmlaufphase wird bei niedrigem Verdichtungsverhältnis, das eine Selbstzündung der Kraftstoffe bei dem verwendeten Luftverhältnis vermeidet, die primäre Treibstoffmenge wieder nach dem vorgenannten Verfahren zugeführt. Alternativ kann auch bei konstant niedrigem Verdichtungsverhältnis die Start- und Warmluftphase mit Fremdzündung überbrückt werden.

Schließlich kann das vorgeschlagene Verfahren auch mit den verschiedenen bekannten Schichtladeverfahren kombiniert werden. Die primäre vergaste und vorgemischte Kraftstoffmenge kann bevorzugt in einem anderen Brennraumteil komprimiert werden als die sekundär eingespritzte Zündöl kraftstoffmenge. Z. B. lassen sich hierbei auch Vorkammer und Hauptbrennkammer verschieden gewichtig nutzen.

Während die sekundäre Zündtreibstoffmenge grundsätzlich in dem komprimierten Brennraum unter hohem Druck eingespritzt wird, kann die primäre Haupttreibstoff menge auch unter Nieder- oder Mittel druck in die Saugleitung oder den Zylinder zerstäubt werden. Bei einer Vorvergasung wird das Kraftstoffgas bevorzugt in die Saugleitung geblasen, um eine gute Durchmischung zu erreichen. Bei flüssiger Einspritzung sollte eine aktive Durchwirbelung die Vermischung und Verdampfung beschleunigen. Eine Zerstäubung und Vermischung mit einem bekannten Vergasersystem würde wie üblich bevorzugt im Ansaugrohr angeordnet. Dies ist auch mit Dieselkraftstoff möglich, allerdings verläuft die anschließende Verdampfung träger und könnte durch Vorwärmung des Kraftstoffs, der Ansaugrohre oder der Saugluft aktiv unterstützt werden.

Bei der bevorzugten Einspritzung des Primärkraftstoffs (entsprechend den Otto/Benzin-Einspritzungs-Systemen), könnte ebenfalls durch Vorwärmung eine Zerstäubung und Vergasung beschleunigt werden. Dabei kann eine Vorheizung des Dieselkraftstoffs vor oder hinter der Einspritzpumpe geschehen, wobei hinter der Pumpe höhere Temperaturen als die des Kühlwassers gefahren werden können. Bei hohem Einspritzdruck könnte der Treibstoff nach der Pumpe mit Abgaswärme auf sehr hohe Temperaturen vorgeheizt werden. Ein weiterer Erfindungsgedanke betrifft die Verwendungsmöglichkeit von einer einzigen Hochdruckeinspritzpumpe und Einspritzdüse für Primär- und Sekundärtreibstoffmenge mit einem Doppelnocken. Die einzelne Einspritzdüse spritzt naturgemäß direkt in den Zylinder. Dabei sorgt der 1. Teil des Nockens für eine Einspritzung des Primärtreibstoffs nach Schließen der Auslaßorgane und vor (oder während) der Kompression. Der 2. überhöhte Teil desselben Nockens sorgt für übliche Dieselzündung bzw. Zufuhr der Sekundärtreibstoffmenge. Dieses Verfahren gilt bevorzugt für direkt einspritzende Dieselmotoren ohne Vorkammer.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

MjDieselmotor dadurch gekennzeichnet, daß ein 1. Teil des Kraftstoffes während des Ansaug- und/oder Kompressionshubes zugeführt und bei O.T. die 2. restliche Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
2. Dieselmotor nach 1. dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Teil kraftstoffmenge unterhalb der Zündgrenze des Kraftstoff/Luft-Gemisches zugeführt wird, während die 2. Kraftstoffmenge die Örtliche Anhebung über die Zündgrenze und die Zündung des Gesamtgemisches bewirkt.
3. Dieselmotor nach 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Teilkraftstoffmenge flüssig in den Ansaugkanal und/oder Zylinder eingespritzt, oder in bereits vorvergaster Form eingeblasen wird.
4. Dieselmotor nach 1. bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Teilkraftstoff menge zur besseren Verdampfung und Gemischbildung vor der Einspritzung vorgeheizt und/oder nachher beheizt wird.
5. Dieselmotor nach 1. bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Teilkraftstoffmenge oberhalb der Zündgrenze bei reduziertem Verdichtungsenddruck zugeführt wird und bei kaltem Motor elektrisch, bei warmem Motor dieselmotorisch gezündet wird.
6. Dieselmotor nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß bei kaltem Motor und zur Startphase das Verdichtungsverhältnis vorübergehend erhöht wird, um mit der 2. Teil kraftstoffmenge einen normalen Dieselbetrieb zu erreichen.
7. Dieselmotor nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses der Hauptbrennraum von einem Nebenbrennraum getrennt werden kann.
8. Dieselmotor nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung von Vorkammern wie bekannte Typen oder Wirbelkammern oder Typ LANOVA die Abtrennung des Luftspeichers durch ein von hinten durch den Luftspeicher verschiebbares Nadelventil erfolgt, welches im Normalbetrieb soweit zurückgezogen ist, daß es nicht hindert oder gestört wird.
9. Dieselmotor nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Verbrennungsmotor ein sogenannter "Wankel"- oder Kreiskolbenmotor Anwendung findet, der keine hohen Verdichtungsverhältnisse zuläßt.