DE4412966A1 - Verfahren und Einrichtung zum Betreiben eines Dieselmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, dem eine Wasser-in-Dieselöl-Emulsion mit in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem Lastzustand des Motors veränderlichem Wasseranteil zugeführt wird.

Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Betreiben eines Dieselmotors, der eine Abgasleitung, ein Luftansaugrohr und eine Einspritzpumpe aufweist, der in einem Rezirkulationskreis eine zum Vermischen von Wasser mit Dieselöl zu einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion dienende Mischvorrichtung vorgeschaltet ist, in die eine Dieselölzuleitung und über eine steuerbare Wassereinspritzdüse eine Wasserzuleitung münden, wobei die Wassereinspritzdüse von einer elektronischen Regeleinheit für eine Änderung des Wasseranteils in der Emulsion in Abhängigkeit von dem Lastzustand und/oder der Drehzahl des Dieselmotors gesteuert ist.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung sind aus der EP-A-0392545 bekannt. Durch die Verwendung einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion können mit zunehmendem Wasseranteil in der Emulsion die Stickoxid- und Rußanteile im Abgas zunehmend vermindert werden. Insbesondere im niedrigen Lastbereich und im Leerlauf des Dieselmotors nehmen jedoch die Kohlenwasserstoff (HC)-Anteile und Kohlenmonoxid (CO)-Anteile mit zunehmendem Wasseranteil in der Emulsion zu. Daher wird der Wasseranteil in der Emulsion zu niedrigen Drehzahlen und Lastzuständen hin reduziert und im Leerlauf wird mit wasserfreiem Dieselöl gefahren. Dadurch können aber ihrerseits die Stickoxidanteile im Abgas zunehmen.

Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, wie auch bei geringem oder fehlendem Wasseranteil in der Emulsion eine Reduzierung der Stickoxidanteile erzielt werden kann.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in das Luftansaugrohr des Dieselmotors Abgas desselben zurückgeführt wird und der zurückgeführte Abgasanteil gesteuert wahlweise proportional zu dem Wasseranteil und/oder zu dem Sauerstoffanteil im Abgas verändert wird.

Durch die erfindungsgemäß gesteuerte Abgasrückführung insbesondere proportional zu dem Sauerstoffanteil im Abgas kann eine wirksame Reduzierung der Stickoxidanteile im Abgas auch im niedrigen Lastbereich und bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden. Jedoch führt die Erfindung durch die Abgasrückführung auch bei höheren Lastzuständen und Drehzahlen zu einer zusätzlichen Reduzierung der Stickoxidanteile. Gleichzeitig wird durch die Kombination der Abgasrückführung mit dem Betrieb des Dieselmotors mit einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion eine erhöhte Rußbildung vermieden, die bei der Verwendung der Abgasrückführung beim herkömmlichen Betrieb von Dieselmotoren mit reinem Dieselöl besonders bei höheren Lastzuständen unvermeidlich war.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zusätzlich verbessert werden, wenn der zurückgeführte Abgasanteil gesteuert wahlweise zusätzlich proportional zu dem Luftdurchsatz im Luftansaugrohr verändert wird.

Um eine möglichst gute Durchmischung der Ansaugluft mit dem zurückgeführten Abgas zu erreichen, wird es weiter vorgezogen, wenn der Luftstrom im Luftansaugrohr durch eine düsenartige Verengung und eine sich daran anschließende plötzliche Erweiterung zunächst beschleunigt und dann wieder verzögert wird und das Abgas in das Luftansaugrohr in Höhe der Erweiterung tangential eingeführt wird.

Eine bevorzugte Einrichtung der eingangs erwähnten Art zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß von der Abgasleitung zu dem Luftansaugrohr eine Abgasrückführleitung abgezweigt ist, die von einem steuerbaren Durchsatzsteuerventil beherrscht wird, das von der elektronischen Regeleinheit gesteuert ist, an welche als Istwertgeber ein Wasserdurchsatzfühler in der Wasserzuleitung, ein Dieselöl-Durchsatzfühler in der Dieselölzuleitung, ein Motordrehzahlfühler sowie ein in der Abgasleitung angeordneter Sauerstoffühler angeschlossen sind. In dieser Weise kann von der elektronischen Regeleinheit nicht nur der Wasseranteil in der Emulsion, sondern auch die Menge des zurückgeführten Abgases nach vorbestimmten Regelkennfeldern optimiert geregelt werden.

Ferner kann, wie weiter oben bereits angesprochen, an die elektronische Regeleinheit als zusätzlicher Istwertgeber ein in dem Luftansaugrohr stromaufwärts der Stelle, an der das Abgas in das Luftansaugrohr eingeführt wird, angeordneter Luftdurchsatzfühler angeschlossen sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, aus welcher eine erfindungsgemäße Einrichtung als Auslegungsschema ersichtlich ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Auslegungsschema beim Emulsionsbetrieb bei voller Last,

Fig. 2 das Auslegungsschema beim Umstellen vom Emulsionsbetrieb auf den reinen Dieselölbetrieb,

Fig. 3 das Auslegungsschema beim Leerlaufbetrieb mit reinem Dieselöl,

Fig. 4 das Auslegungsschema beim Umstellen vom reinen Dieselölbetrieb auf Emulsionsbetrieb,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines in das Luftansaugrohr des Dieselmotors eingebauten Flansches zur Abgasrückführung, und

Fig. 6 den Schnitt des Flansches gemäß der Schnittlinie Z-Z in Fig. 5.

Anhand Fig. 1 wird zunächst der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Betreiben eines Dieselmotors wahlweise mit reinem Dieselöl oder mit einer Wasser-in- Dieselöl-Emulsion erläutert. Die Einspritzpumpe 1 des Dieselmotors ist mit einer Mischvorrichtung 6, in welcher die Emulsion erzeugt wird, in einen gemeinsamen Rezirkulationskreis 2 bis 5 eingeschaltet. In die Mischvorrichtung 6 münden eine Dieselölzuleitung 8 und über ein intermittierend betriebenes, gesteuertes Wassereinspritzventil 27 eine Wasserzuleitung 7. Das lediglich schematisch gezeigte Wassereinspritzventil 27 wird von einer elektronischen Regeleinheit 23 gesteuert, von welcher die eingespritzte Wassermenge pro Zeiteinheit, und damit der Wasseranteil in der Emulsion, in Abhängigkeit von dem Dieselöldurchsatz, der mit einem in die Dieselölleitung eingeschalteten Dieselöl-Durchsatzfühler 25 gemessen wird, und der Drehzahl des Motors bestimmt werden. In den Vorlaufzweig 2, 3 des Rezirkulationskreises zwischen der Mischvorrichtung 6 und der Einspritzpumpe 1 ist ein als Dreiwegventil gestaltetes, von einer elektronischen Regeleinheit 22 gesteuertes erstes Magnetventil 10 eingeschaltet, von dem der Strömungsdurchgang entweder von der Mischvorrichtung 6 oder von einer Bypassleitung 9, die von der Dieselölzuleitung 8 abgezweigt ist, zu dem zur Einspritzpumpe 1 führenden Rezirkulationszweig freigegeben wird.

Nahe an der Einspritzpumpe 1 sind ein kleiner Emulsionsvorratsraum 12 und ein kleiner Dieselölvorratsraum 13, beispielsweise jeweils mit einem Volumen von 600 cm³, angeordnet, die durch eine als elastische Membran ausgebildete gemeinsame verlagerbare Trennwand voneinander getrennt sind. In den Rücklaufzweig 4, 5 des Rezirkulationskreises von der Einspritzpumpe 1 zur Mischkammer 6 ist ein als Vierwegeventil ausgebildetes zweites gesteuertes Magnetventil 24 eingeschaltet, von dem der Rücklauf 4 von der Einspritzpumpe 1 gesteuert wahlweise auf die Rückführleitung zur Mischvorrichtung 6, zu dem Emulsionsvorratsraum 12 hin oder zu dem Dieselölvorratsraum 13 hin geschaltet werden kann. In die Rücklaufleitung 4 zwischen dem zweiten Magnetventil 11 und der Einspritzpumpe 1 sind ein als Dreiwegeventil ausgebildetes fünftes Magnetventil 19 und zwischen diesem und dem zweiten Magnetventil 11 eine als Zahnradpumpe ausgebildete Pumpe 17 eingeschaltet, die von einer Umgehungsleitung 20 umgangen wird. Mit dem fünften Magnetventil 19 kann der Rücklauf 4 von der Einspritzpumpe gesteuert wahlweise in die Pumpe 17 oder in die Umgehungsleitung 20 geleitet werden, die zwischen der Pumpe 17 und dem zweiten Magnetventil 11 wieder in den Rücklaufzweig 4, 5 des Rezirkulationskreises einmündet.

Weiter sind in den zur Einspritzpumpe 1 führenden Rezirkulationszweig 3 ein drittes Magnetventil 14 und ein viertes Magnetventil 15 eingeschaltet, die jeweils als Dreiwegeventil ausgebildet sind und mit denen gesteuert wahlweise der Emulsionsvorratsraum 12 oder der Dieselölvorratsraum auf den Zulauf zur Einspritzpumpe 1 geschaltet werden können. Diese Magnetventile 14, 15 sollen möglichst nahe beieinander und möglichst nahe am Eingang der Einspritzpumpe angeordnet sein.

In die zur Mischvorrichtung 6 zurückführende Leitung 5 ist zwischen dem zweiten Magnetventil 11 und der Mischvorrichtung 6 ein als Dreiwegeventil ausgebildetes sechstes Magnetventil 24 eingeschaltet, mit dem die Leitung 5 gesteuert wahlweise auf die Mischvorrichtung 6 oder auf den Dieselöltank geschaltet werden kann.

In die Wasserzuleitung ist ferner ein Wasserdurchsatzfühler 21 eingeschaltet. Wenn mit dem Wasserdurchsatzfühler 21 in der Emulsionsbetriebsweise nicht zu vorbestimmten Sollwerten, die in der elektronischen Regeleinheit gespeichert sind, passende Wasserdurchsätze gemessen werden, so wird ein Befehl zur Herunterregelung des Hubes der Regelstange der Einspritzpumpe 1 mittels eines Hubmagneten erzeugt und ggf. die weitere Wasserzufuhr zur Mischkammer 6 abgeschaltet.

In den Fig. 1 bis 4 sind mit gestrichelten Linien abgeschaltete Leitungszweige und mit durchgezogenen Linien aktuell durchströmte Leitungszweige gekennzeichnet. Die Betriebsweise der Einrichtung ist wie folgt;

Fig. 1 gibt den Zustand in der Emulsionsbetriebsweise bei vollem Lastzustand des Dieselmotors an. Die in der Mischvorrichtung 6 erzeugte Emulsion wird bei entsprechend eingesteuerten Magnetventilen der Einspritzpumpe 1 zugeführt, deren Rücklauf wieder in die Mischvorrichtung 6 zurückgeleitet wird. Die Pumpe 17 wird ausgeschaltet und wird von dem Rezirkulat umgangen. Der Emulsionsvorratsraum 13 ist leer und der Dieselölvorratsraum ist mit reinem Dieselöl gefüllt.

Sinkt nun die Motordrehzahl oder die Last unter einen vorbestimmten Wert (z. B. eine Drehzahl von 800-900 min^-1 und eine Last von ungefähr 10%), so soll die Emulsionsbetriebsweise beendet und auf reine Dieselölbetriebsweise umgestellt werden. Die Umstellungsphase ist aus Fig. 2 ersichtlich. Das erste Magnetventil 10 schaltet von der Mischvorrichtung auf die Bypassleitung 9 und somit auf reine Dieselölzufuhr um. Gleichzeitig öffnet das dritte Magnetventil 14 den Dieselölvorratsraum 13 zu der Einspritzpumpe 6 hin, die Rücklaufleitung 4 wird von dem fünften Magnetventil 19 an die Druckpumpe 17 geschaltet und diese wird eingeschaltet. Zugleich wird das zweite Magnetventil 11 auf den Emulsionsvorratsraum 12 umgestellt. Der in der Einspritzpumpe befindliche Emulsionsrest wird von der Pumpe 17 abgesaugt und über das zweite Magnetventil 11 in den Emulsionsvorratsraum gedrückt. Dadurch wird dieser mit Restemulsion gefüllt und das Dieselöl aus dem Dieselölvorratsraum 13 wird in die Einspritzpumpe 1 verdrängt und diese wird dadurch mit reinem Dieselöl gespült. Nach kurzer Zeitspanne, wenn die Restemulsion aus der Einspritzpumpe 1 verdrängt ist, jedoch bevor nachfließendes Dieselöl am zweiten Magnetventil 11 angekommen ist, beispielsweise nach 3 s, werden unter der automatischen Steuerung durch die elektronische Regeleinheit 22 die Pumpe 17 ausgeschaltet und das zweite 11, das dritte 14 und das fünfte 19 Magnetventil wieder in die Schaltstellung nach Fig. 1 zurückgeschaltet, wohingegen das erste Magnetventil auf die Bypassleitung 9, d. h. auf reine Dieselölzufuhr geschaltet bleibt.

Im Leerlauf wird daher der Motor mit reinem Dieselöl betrieben, wobei die Umstellung auf die Dieselölbetriebsweise durch das Spülen der Einspritzpumpe mit dem Dieselöl aus dem Dieselölvorratsraum sehr rasch erfolgt. Diese Dieselölbetriebsweise und die zugehörigen Schaltstellungen der Magnetventile sind aus Fig. 3 ersichtlich. 2 bis 3 min nach Erreichen des Leerlaufzustandes wird der Rücklauf aus der Einspritzpumpe 1 von dem sechsten Magnetventil 24 auf den Dieselöltank umgeschaltet.

Wenn der Motor aus dem Leerlauf heraus beschleunigt wird, erfolgt wieder die Umstellung auf den Emulsionsbetrieb, wobei nun die Einspritzpumpe 1 rasch mit Emulsion gespült wird, die mittels der Pumpe 17 durch das Auffüllen des Dieselölvorratsraums 13 mit Restdieselöl aus der Einspritzpumpe aus dem Emulsionsvorratsraum über das vierte Magnetventil 15 zur Einspritzpumpe 1 hin verdrängt wird. Da der Inhalt des Pumpenraums der Einspritzdüse rasch durch Emulsion ersetzt wird, wird eine Rauchbildung beim Beschleunigen verhindert oder wenigstens stark vermindert. Diese Umstellung von der Dieselölbetriebsweise auf die Emulsionsbetriebsweise und die Stellung der Magnetventile dabei ist aus Fig. 4 ersichtlich. Das erste Magnetventil 10 und das sechste Magnetventil 24 werden wieder auf die Mischvorrichtung 6 umgestellt und nach kurzer Zeitspanne, z. B. 3 s, werden wieder die Schaltzustände der Magnetventile aus Fig. 1 erreicht.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Teil des Abgases in das in den Fig. 1 bis 4 schematisch gezeigte Luftansaugrohr 30 des Dieselmotors zurückgeführt. Hierzu zweigt von der Abgasleitung 31 des Dieselmotors eine zum Luftansaugrohr 30 führende Abgasrückführleitung 32 ab, in die ein steuerbares Durchsatzsteuerventil 33 eingeschaltet ist, das von der elektronischen Regeleinheit 22 gesteuert wird. Weiter ist in die Abgasleitung 31 ein Sauerstoffühler 34 eingebaut, der vorzugsweise wie die für Ottomotoren mit Katalysator bekannte Lambda-Sonde als Zirkoniumdioxid-Fühler ausgebildet ist und als Istwertgeber an die elektronische Regeleinheit 22 angeschlossen ist.

Von der elektronischen Regeleinheit 22 wird auch das Durchsatzsteuerventil 33 gesteuert, mit welchem die zurückgeführte Abgasmenge eingestellt wird. Dies erfolgt nach vorbestimmten Kennfeldern, die als Sollwerte in der elektronischen Regeleinheit 22 gespeichert sind, im unteren Lastbereich und im Leerlauf, wo der Wasseranteil in der Emulsion gering ist oder im Dieselöl fehlt, hauptsächlich aufgrund der vom Sauerstoffühler 34 gemessenen Sauerstoffanteile im Abgas, und im oberen Lastbereich und bei höheren Drehzahlen hauptsächlich in Abhängigkeit vom Wasseranteil in der Emulsion.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Flansch, der in das Luftansaugrohr 30 eingeschaltet wird. Die Strömungsrichtung der Ansaugluft ist in Fig. 6 durch einen Pfeil angegeben. Der Flansch bildet eine düsenartige Querschnittsverengung 35 des Strömungsquerschnitts, an die sich eine gestufte Querschnittserweiterung 36 anschließt, an der im Ausführungsbeispiel vier Abgasrückführungskanäle 37 tangential einmünden, die an die Abgasrückführleitung 32 angeschlossen sind.

Wenngleich die erfindungsgemäße Einrichtung zum Betreiben eines Dieselmotors bevorzugt den aus den Fig. 1 bis 4 ersichtlichen Aufbau hat, kann sie sinnvoll auch in anderen Systemen eingesetzt werden, und zwar insbesondere auch in solchen, bei denen von dem Emulsionsvorratsraum 12 und dem Dieselölvorratsraum 13 für den Übergang zwischen der Betriebsweise mit reinem Dieselöl und der Emulsionsbetriebsweise nicht Gebrauch gemacht wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, dem eine Wasser- in-Dieselöl-Emulsion mit in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem Lastzustand des Motors veränderlichem Wasseranteil zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Luftansaugrohr des Dieselmotors Abgas desselben zurückgeführt wird und der zurückgeführte Abgasanteil gesteuert wahlweise proportional zu dem Wasseranteil und/oder zu dem Sauerstoffanteil im Abgas verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der zurückgeführte Abgasanteil gesteuert wahlweise zusätzlich proportional zu dem Luftdurchsatz im Luftansaugrohr verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Luftstrom im Luftansaugrohr durch eine düsenartige Verengung und eine sich daran anschließende plötzliche Erweiterung zunächst beschleunigt und dann wieder verzögert wird und das Abgas in das Luftansaugrohr in Höhe der Erweiterung tangential eingeführt wird.

4. Einrichtung zum Betreiben eines Dieselmotors, der eine Abgasleitung (31), ein Luftansaugrohr (30) und eine Einspritzpumpe (1) aufweist, der in einem Rezirkulationskreis (2 bis 5) eine zum Vermischen von Wasser mit Dieselöl zu einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion dienende Mischvorrichtung (6) vorgeschaltet ist, in die eine Dieselölzuleitung (8) und über eine steuerbare Wassereinspritzdüse (27) eine Wasserzuleitung (7) münden, wobei die Wassereinspritzdüse (27) von einer elektronischen Regeleinheit (22, 23) für eine Änderung des Wasseranteils in der Emulsion in Abhängigkeit von dem Lastzustand und/oder der Drehzahl des Dieselmotors gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, von der Abgasleitung (31) zu dem Luftansaugrohr (30) eine Abgasrückführleitung (32) abgezweigt ist, die von einem Durchsatzsteuerventil (33) beherrscht ist, das von der elektronischen Regeleinheit (22) gesteuert ist, an welche als Istwertgeber ein Wasserdurchsatzfühler (21) in der Wasserzuleitung (7), ein Dieselöl-Durchsatzfühler (25) in der Dieselölzuleitung (8), ein Motordrehzahlfühler sowie ein in der Abgasleitung (31) angeordneter Sauerstoffühler (34) angeschlossen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei welchem an die elektronische Regeleinheit (22) als zusätzlicher Istwertgeber ein Luftdurchsatzfühler in dem Luftansaugrohr angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher in dem Luftansaugrohr eine düsenartige Querschnittsverengung (35) und eine sich daran anschließende stufenartige Querschnittserweiterung (36) ausgebildet sind, in welche wenigstens ein Abgasrückführkanal (37) tangential einmündet.