DE4345581B4

DE4345581B4 - Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine und Betriebsverfahren für eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4345581B4
Application number: DE4345581A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Enderle Christian; Dr.-Ing. Krämer Michael; Dipl.-Ing. Hertweck Gernot; Dr. Krutzsch Bernd; Dr.-Ing. Wirbeleit Friedrich; Dr.-Ing. Mikulic Leopold; Dipl.-Ing. Thoma Frank
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: DE4313348A1; DE4313348B4

Abstract

Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine (1) mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) und mit einer Kraftstoffeinspritzanlage (2), umfassend eine Hochdruckpumpe (3) und mindestens eine Einspritzdüse (4) zur Einspritzung von Kraftstoff, wobei innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine (1) eine Haupteinspritzung und eine Zusatzeinspritzung in einen Brennraum der Einspritzbrennkraftmaschine (1) einbringbar sind, wobei die Zusatzeinspritzung eine Nacheinspritzung umfasst, welche mit zeitlichem Abstand zur Haupteinspritzung frühestens in der Endphase der Verbrennung erfolgt und die für die Haupteinspritzung vorgesehene Einspritzdüse (4) zugleich für die Nacheinspritzung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung der Haupteinspritzung und der Zusatzeinspritzung die Einspritzdüse ansteuerbar ist und der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) ein durch die Zusatzeinspritzung mit Reduktionsmitteln versehenes Abgas zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, der Reduktionsmittel zuführbar sind, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und zum anderen ein Betriebsverfahren für eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
Die US 4 452 040 A beschreibt eine Kraftstoffzufuhr zu einem Dieselmotor als luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine, welcher mit einem Rußfänger als Abgasnachbehandlungseinrichtung ausgestattet ist. Der Dieselmotor weist ferner eine Hochdruckpumpe und eine Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum des Motors auf. Zusätzlich zu einer Haupteinspritzung ist innerhalb eines Arbeitsspiels eine Nacheinspritzung als Zusatzeinspritzung in einen Brennraum des Motors einbringbar, wobei für beide Einspritzungen dieselbe Einspritzdüse herangezogen wird. Durch die Zusatzeinspritzung kann eine zum Abbrand von im Rußfänger angesammelten Ruß ausreichende Abgastemperaturerhöhung erzielt werden.
Aus der EP 0 488 386 A1 ist eine Einspritzbrennkraftmaschine bekannt, bei der zur Stickoxidreduzierung die Kraftstoffeinspritzanlage mit einer Nebeneinspritzleitung versehen ist, die von einer die Hochdruckpumpe und die Haupteinspritzdüse verbindenden Einspritzleitung abzweigt und zu einer in das Luftansaugrohr hineinragenden und magnetventilgesteuerten Nebeneinspritzdüse führt (7).
Die für die Verbrennung bestimmte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt durch die Haupteinspritzdüse, während die zur Stickoxidreduzierung dienende Zusatzeinspritzung in das Luftansaugrohr durch die Nebeneinspritzdüse zum Zeitpunkt des Überschneidungs-OT erfolgt, bei dem Einlaß- und Auslaßventil gleichzeitig kurzzeitig geöffnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine und ein Betriebsverfahren für eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine anzugeben, mit welchen durch einfache und bauaufwandarme Maßnahmen eine wirkungsvolle Abgasreinigung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
In den Unteransprüchen sind noch förderliche Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Dadurch, daß nicht nur die zur Verbrennung bestimmte Kraftstoffmenge, sondern auch eine die Reduzierung der Stickoxide bewirkende Kraftstoffmenge mit einer einzigen Kraftstoffeinspritzdüse realisiert wird, ist eine mit wesentlich geringerem Fertigungsaufwand verbundene Ausführung erreicht, bei der die einzige Kraftstoffeinspritzdüse zweimal innerhalb eines Arbeitsspieles der Brennkraftmaschine mit definiertem zeitlichem Abstand oder bei einer Ausführung mit Vor- und Haupteinspritzung dreimal angesteuert wird.
Die Zusatzeinspritzung findet in der Endphase bzw. nach Abschluß der Verbrennung zwischen 20° und 50° nach OT statt; der Kraftstoff, z. B. Dieselkraftstoff als Nachspritzer, nimmt also nicht an der Verbrennung teil und wird unter hohem Druck in den Brennraum bei optimaler Zerstäubung eingespritzt, verdampft dort, vermischt sich mit Luft und den Verbrennungsgasen, reduziert die NO_x-Moleküle noch im Brennraum im heißen Gas und strömt zum Abgasreiniger.
In einem Denox-Katalysator bilden sich Reaktionen zwischen den NO_x-Molekülen und den hochreaktiven Kohlenwasserstoffbruchstücken oder reaktionsfreudigen Radikalen, was zur Reduktion der NO_x-Moleküle in Stickstoff und Sauerstoff führt.
Die Zusatzeinspritzung bietet sich insbesondere bei Einspritzsystemen an, die auf der Basis des Common-Rail-Prinzips arbeiten, da hier stets hohe Drücke im Speichersystem zur Verfügung stehen, die sich vorteilhaft auf die Zerstäubungsgüte auch bei der Zusatzeinspritzung auswirken.
Für die Zusatzeinspritzung sind aber auch sogenannte elektronisch angesteuerte Steck-Pumpe-Düsen verwendbar. Die Zusatzeinspritzung ist sowohl für Vorkammer- und Wirbelkammerbrennkraftmaschinen als auch für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen geeignet und auch einsetzbar bei Einspritzsystemen mit Vor- und Haupteinspritzung.
Durch die genannten Maßnahmen sind wichtige Parameter frei einstell- bzw. wählbar, wie die Menge des Reduktionsmittels, der Zeitpunkt der Einbringung und die Höhe des Drucks, wodurch die Aufbereitung des Reduktionsmittels optimierbar ist.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Eine mehrzylindrige luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine 1 weist eine nach dem Common-Rail-System arbeitende Kraftstoffeinspritzanlage 2 auf, die aus einer Hochdruckpumpe 3 und beispielsweise vier magnetventilgesteuerten Einspritzdüsen 4 besteht, die allesamt mit einem als Speicher wirkenden Verteilungsrohr 5 verbunden sind, in dem der von der Hochdruckpumpe 3 geförderte Kraftstoff, nämlich Dieselkraftstoff, auf hohem Druckniveau für die Kraftstoffeinspritzung und für die mit zeitlichem Abstand nachfolgende Zusatzeinspritzung pro Zylinder 5 gehalten wird.
Die Ansteuerung der mit den Einspritzdüsen 4 zusammenwirkenden Magnetventile 7 erfolgt durch eine betriebsparameterabhängig arbeitende Steuereinheit 8. Als Eingabegrößen sind z. B. die Drehzahl n, Last L, Kühlwassertemperatur K_t und sonstige Parameter vorgesehen.
Jede Einspritzdüse 4 wird pro Arbeitsspiel zweimal angesteuert, d. h. die erste Ansteuerung bestimmt die für die Verbrennung vorgesehene Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung und die zweite Ansteuerung bestimmt die erforderliche Einspritzmenge der Zusatzeinspritzung, wobei diese der Kraftstoffeinspritzung um etwa 20°–50° nach OT nacheilt, und zwar nach Abschluß der Verbrennung. Anstelle einer Zusatzeinspritzung pro Arbeitsspiel für alle Zylinder ist je nach Anforderung und Ausführung des Abgasreinigers 10 auch eine zyklische Einspritzung durchführbar, d. h. Zusatzeinspritzung nur jedes zweiten, dritten oder x-ten Arbeitsspieles, wobei die Zusatzeinspritzung nur an ausgewählten Zylindern stattfinden kann, die dann in einen bestimmten Regelzyklus umgeschaltet werden.
Die Menge der Zusatzeinspritzung beträgt weniger als 2% der Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung, wobei der Einspritzdruck deutlich über dem Brennraumdruck liegt.
NO_x-haltige Abgase gelangen in einen in der Abgasleitung 9 angeordneten und als Denox-Katalysator ausgebildeten Abgasreiniger 10, in dem Kohlenwasserstoffbruchstücke oder Radikale die vorliegenden NOx-Werte reduzieren. Als Denox-Katalysator sind z. B. Zeolithe, Perowskite oder edelmetallhaltige Katalysatoren einsetzbar.

Claims

Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine (1) mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) und mit einer Kraftstoffeinspritzanlage (2), umfassend eine Hochdruckpumpe (3) und mindestens eine Einspritzdüse (4) zur Einspritzung von Kraftstoff, wobei innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine (1) eine Haupteinspritzung und eine Zusatzeinspritzung in einen Brennraum der Einspritzbrennkraftmaschine (1) einbringbar sind, wobei die Zusatzeinspritzung eine Nacheinspritzung umfasst, welche mit zeitlichem Abstand zur Haupteinspritzung frühestens in der Endphase der Verbrennung erfolgt und die für die Haupteinspritzung vorgesehene Einspritzdüse (4) zugleich für die Nacheinspritzung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung der Haupteinspritzung und der Zusatzeinspritzung die Einspritzdüse ansteuerbar ist und der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) ein durch die Zusatzeinspritzung mit Reduktionsmitteln versehenes Abgas zuführbar ist.
Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung zwischen 20° und 50° nach OT erfolgt.
Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzeinspritzung eine Voreinspritzung umfasst und innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine (1) die Einspritzdüse (4) in zeitlichem Abstand zur Ausführung der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung ansteuerbar ist.
Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzanlage (2) als Common-Rail-System oder als elektronisch angesteuerte Steckpumpe ausgeführt ist.
Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der nacheingespritzte Kraftstoff nicht an der Verbrennung im Brennraum teilnimmt.
Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) einen Denox-Katalysator aufweist.
Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Denox-Katalysator ein Zeolith einsetzt wird.
Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzbrennkraftmaschine (1) als direkteinspritzende Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Betriebsverfahren für eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) und mit einer Kraftstoffeinspritzanlage (2), umfassend eine Hochdruckpumpe (3) und mindestens eine Einspritzdüse (4) zur Einspritzung von Kraftstoff, wobei innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine (1) von der Einspritzanlage (2) eine Haupteinspritzung und eine Zusatzeinspritzung ausgeführt wird, wobei die beiden Einspritzungen mit derselben Einspritzdüse (4) in einen Brennraum der Einspritzbrennkraftmaschine (1) erfolgen und die Zusatzeinspritzung als Nacheinspritzung mit zeitlichem Abstand zur Haupteinspritzung frühestens in der Endphase der Verbrennung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der Zusatzeinspritzung eine Ansteuerung der Einspritzdüse vorgenommen wird und der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) ein durch die Zusatzeinspritzung von Kraftstoff mit Reduktionsmitteln versehenes Abgas zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung zwischen 20° und 50° nach OT erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzeinspritzung eine Voreinspritzung umfasst und innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine (1) die Einspritzdüse (4) in zeitlichem Abstand zur Ausführung der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der nacheingespritzte Kraftstoff nicht an der Verbrennung teilnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch den nacheingespritzten Kraftstoff im Brennraum der Brennkraftmaschine (1) Stickoxide reduziert werden.