DE60015870T2

DE60015870T2 - Verminderung des stickoxydaustosses einer brennkfraftmaschine

Info

Publication number: DE60015870T2
Application number: DE60015870T
Authority: DE
Inventors: Göran Hellen; Seppo Tiensuu; Juha Kytölä; Tapani Humalamaa
Original assignee: Wartsila Finland Oy
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-07-20
Also published as: JP4381572B2; EP1070838A3; US6415745B1; ATE282767T1; DK1070838T3; JP2001050071A; DE60015870D1; FI112526B; EP1070838B1; EP1070838A2; FI991632A

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Verminderung der Stickoxidemissionen (NOx) einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Turbolader durch Einspritzen von Wasser oder Dampf in einen Brennraum der Maschine.
Stickoxide (NOx), die mit Abgasen in die Luft ausgetragen werden, werden in den Zylindern einer Brennkraftmaschine bei hohen Verbrennungstemperaturen erzeugt. Aufgrund der negativen Umwelteinflüsse von Stickoxidemissionen ist es erwünscht, solche Emissionen zu minimieren.
Die Verminderung der Bildung von Stickoxiden durch Hinzufügen von Wasser in den Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine ist bekannt. Dieses Phänomen basiert auf der Kühlwirkung des hinzugefügten Wassers. In der Praxis wird das Einspritzen von Wasser in den Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine durch zwei alternative Methoden realisiert: Das Wasser wird entweder in den Brennraum der Zylinder der Maschine direkt eingespritzt, oder das Wasser wird durch einen Einlaßluftdurchgang eingeleitet.
Wenn das Wasser in den Brennraum des Zylinders direkt eingespritzt wird, findet die Einspritzung normalerweise während des Verdichtungshubs entweder vor dem tatsächlichen Verbrennungsvorgang und/oder während der Verbrennung statt. Dieses Einspritzintervall ist vorteilhaft, um die Bildung von Stickoxiden zu vermindern und eine Verringerung der Leistungsabgabe der Maschine zu vermeiden, ist aber für den Wellenwirkungsgrad der Maschine nachteilig. Mittels dieser Anordnung kann eine große Wassermenge in den Brennraum eingespritzt werden, wodurch es typischerweise möglich ist, Stickoxide um 50–60% zu vermindern. Zusätzlich läßt sich aufgrund der ungestörten Füllung des Zylinders mit Luft eine hohe Leistungsabgabe erzielen. Der Wellenwirkungsgrad der Maschine wird jedoch durch das Einspritzen des Wassers während des Verdichtungshubs beeinträchtigt, weil die Kühlung, die durch die in der Endstufe der Verdichtung erfolgende Wassereinspritzung bewirkt wird, den Druck der verdichteten Luft und/oder des Kraftstoff/Luft-Gemisches reduziert, so daß die Maschine Verdichtungsarbeit leisten muß, die während des Arbeitshubs nicht genutzt werden kann. Ein anderer Faktor, der den Wellenwirkungsgrad der Maschine mindert, ist der für die Wassereinspritzung erforderliche relativ hohe Druck, der denjenigen Druck, der im Zylinder zum Zeitpunkt der Einspritzung herrscht und typischerweise etwa 200 Bar beträgt, überschreiten muß.
Das zusammen mit Einlaßluft erfolgende Einspritzen von Wasser in den Brennraum wird traditionell dadurch erzielt, daß die Einlaßluft kontinuierlich befeuchtet oder Wasser und/oder Dampf in die Einlaßluftströmung an einer Stelle vor oder hinter dem Verdichter eines Turboladers, vor oder hinter einem Zwischenkühler oder in eine Einlaßluftkammer und/oder einen Einlaßdurchgang eingespritzt wird. Diese Anordnungen sind hinsichtlich des Wellenwirkungsgrads der Maschine vorteilhaft, jedoch hinsichtlich der Vermeidung einer Verminderung der Leistungsabgabe der Maschine sowie auch hinsichtlich der benötigten Wassermenge nachteilig.
Die Wassermenge, die mit der Einlaßluft in den Brennraum eingeleitet werden kann, kann bestenfalls diejenige Menge sein, die unter den Druck- und Temperaturbedingungen der Einlaßluft in Gasform verbleibt. Somit begrenzt die Sättigung des Dampfs unter den Bedingungen der Einlaßluft die Wassermenge, die zusammen mit der Einlaßluft in den Brennraum eingeleitet werden kann. In einer modernen Brennkraftmaschine mit Turbolader und Zwischenkühler beträgt der Druck der Einlaßluft typischerweise etwa 4 Bar und ihre Temperatur etwa 50°C. Diese Bedingungen schränken die Wassermenge, die eingeleitet werden kann, auf ein Niveau ein, das in der Praxis typischerweise einer Verminderung der Stickoxidmenge von etwa 10–40% entspricht. Es ist nicht erwünscht, den Druck der Einlaßluft zu reduzieren oder die Temperatur der Einlaßluft zu erhöhen, um das Einspeisen einer größeren Wassermenge zu ermöglichen, weil dann die Füllung des Zylinders mit Verbrennungsluft und weiterhin die Leistungsabgabe der Maschine beeinträchtigt werden würden. Der Wellenwirkungsgrad der Maschine bleibt statt dessen ungestört, weil die während des Verdichtungshubs geleistete Arbeit im Arbeitshub ohne Störungen zurückgewonnen werden kann. Wenn Wasser mit der Einlaßluft durch kontinuierliches Befeuchten davon eingeleitet. wird, ist die Menge des benötigten Wassers relativ groß, weil ein Teil des Wassers während der Spülphase, wenn sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil gleichzeitig offen sind, aus dem Zylinder austritt und daher nicht genutzt werden kann.
In der EP 0 683 307 A1 ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in einen Dieselmotor in Abhängigkeit von der Bewegung des Einlaßventils oder des Kolbens beschrieben. Die Vorrichtung hat in der Nähe des Einlaßventils befindliche Wasserdüsen. Die Düsen werden in Übereinstimmung mit der Zündfolge der Maschine geöffnet. Das Wasser wird während des Saughubs unter Steuerung durch eine Steuerungseinheit eingespritzt, die Motordrehzahl, Kolbenposition und/oder Maschinenbetriebsbedingungen als Eingabeparameter für die Einspritzung verwendet. Diese Vorrichtung ist noch unzureichend und ihre Betriebsweise, insbesondere hinsichtlich der Emissionsverminderung, unbefriedigend.
Eine teilweise Rückführung von Verbrennungsgasen in den Verbrennungsvorgang zur Verminderung von Stickoxidemissionen (NOx) ist bekannt. Diese Rückführung kann entweder extern, wobei das rückzuführende Gas aus dem Abgasdurchgang zugeführt, gekühlt und mit Einlaßluft gemischt und somit zum Verbrennungsvorgang zurückgeführt wird, oder grundsätzlich auch intern durch entsprechende Steuerung der Einlaß- und Auslaßventile erfolgen, so daß das Spülen des Zylinders unvollständig bleibt.
Ein Vorteil interner Rückführung ist ihre Einfachheit und vorteilhafte Realisierung. Ein Nachteil ist dementsprechend die Zunahme der thermischen Belastung des Brennraums, was Materialprobleme, beispielsweise in Form von Wärmekorrosion, bewirken und auch zur Folge haben kann, daß Stickoxide in der Praxis relativ klein sind. Die Rückführung von Verbrennungsgasen als solche bietet jedoch keinen adäquaten Grad einer Verminderung von Stickoxidemissionen (NOx).
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Verminderung von Stickoxidemissionen (NOx) einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Turbolader bereitzustellen, das auf dem Einspritzen von Wasser oder Dampf in den Brennraum der Maschine basiert, bei dem jedoch die Nachteile nach dem Stand der Technik im wesentlichen ausgeschaltet sind. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das, zusätzlich zur Verminderung von Stickoxidemissionen, hinsichtlich des Wellenwirkungsgrads der Maschine, hinsichtlich der Leistungsabgabe und hinsichtlich der benötigten Wassermenge Vorteile bietet. Es ist eine weitere Aufgabe, die Verminderung von Stickoxiden in einer wirksameren Weise mittels des Verfahrens mit einer internen Rückführung von Verbrennungsgasen zu kombinieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Turbolader gemäß Anspruch 1 bereit.
Gemäß der Erfindung wird die Wassereinleitung, entweder als Wasserdampf in der Einlaßluft oder vorzugsweise durch Direkteinspritzung, mindestens im wesentlichen während des Saughubs durchgeführt und frühestens dann initiiert, wenn sich das Einlaßventil über etwa 50% des Gesamtbereichs seiner Öffnungsbewegung bewegt hat. Die Reduzierung des durch die Kühlwirkung des Wassers bewirkten Drucks unterstützt die Füllung des Zylinders mit Luft und/oder Kraftstoff/Luft-Gemisch und reduziert somit die Arbeit des Verdichters, was hinsichtlich des Wellenwirkungsgrads und der Leistungsabgabe der Maschine vorteilhaft ist. Hinsichtlich des Wellenwirkungsgrads ist dies weiterhin vorteilhaft, weil die während des Verdichtungshubs geleistete Arbeit während des Arbeitshubs ohne nachteilige oder negative Auswirkungen zurückgewonnen werden kann. Zusätzlich kann im Falle einer Direkteinspritzung der Einspritzdruck des Wassers aufgrund des niedrigen Drucks im Zylinder relativ niedrig gehalten werden, so daß der Einspritzdruck nur etwa einem Fünftel bis einem Zehntel des Drucks entspricht, der zum Einspritzen von Wasser während des Verdichtungshubs erforderlich ist.
In Übereinstimmung mit einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung ist es möglich, die Verminderung von Stickoxidemissionen dadurch weiterhin zu unterstützen, daß die Bewegungen des Auslaßventils und des Einlaßventils so vorgesehen werden, daß ein Teil der Verbrennungsgase im Brennraum der Maschine verbleiben.
Da die Öffnungsbewegung des Einlaßventils, insbesondere aufgrund des Spülens, beginnen kann, kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht und der Einlaßhub beginnt, kann, durch Steuerung der Wassereinspritzung gemäß der Erfindung, sichergestellt werden, daß Wasser in der Zylinderspülphase nicht unnötig verbraucht wird. Die Wassereinspritzung gemäß der Erfindung bewirkt auch eine Kühlung, so daß sich bessere Möglichkeiten für den Einsatz einer internen Rückführung ergeben.
Es wird besonders bevorzugt, daß die Einspritzung des Wassers dadurch erfolgt, daß es direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Auf diese Weise ist die Einspritzung technisch völlig unabhängig vom Öffnen und vom Betrieb des Einlaßventils.
Ein Agens zum Kühlen des Verbrennungsvorgangs und/oder zur Verminderung von Stickoxiden, beispielsweise Harnstoff und/oder Ammoniak, kann in dem in den Brennraum einzuleitenden Wasser aufgelöst werden, wodurch die Verminderung von Stickoxidemissionen weiter intensiviert wird.
Um die unterschiedlichen Betriebsbedingungen einer Maschine zu berücksichtigen, werden der Zeitpunkt des Initiierens, die Menge und/oder die Einspritzdauer des eingespritzten Wassers in Übereinstimmung mit der erforderlichen Reduzierung der Stickoxide (NOx) und der Belastung und/oder Betriebsdrehzahl der Maschine reguliert. Zusätzlich kann die Feuchtigkeit der Einlaßluft der Maschine kontinuierlich gemessen oder bestimmt werden, und die Menge des eingespritzten Wassers kann in Übereinstimmung mit der Feuchtigkeit der in die Maschine eintretenden Einlaßluft reguliert werden.
Die Konzentration von Stickoxiden (NOx) in den Abgasen der Maschine kann kontinuierlich gemessen oder bestimmt werden, und die Menge des eingespritzten Wassers kann auch in Übereinstimmung mit dem in den Abgasen gemessenen Stickoxidgehalt (NOx) reguliert werden, so daß während einer jeden jeweiligen Wassereinspritzung die korrekte Wassermenge eingespritzt wird.
Um die Verminderung von Stickoxiden (NOx) zu verbessern, wird zugelassen, daß ein Teil der Verbrennungsgase im Brennraum der Maschine verbleibt, oder es wird eine sogenannte interne Rückführung der Verbrennungsgase praktiziert. In diesem Fall kann durch direktes Einspritzen von Wasser in den Brennraum und durch die beschriebene Steuerung der Einspritzung die Wärmebeanspruchung des Brennraums vermindert und somit auch die Reduzierung von Stickoxiden (NOx) verstärkt werden.
In der Praxis kann das Einspritzen des Wassers in mehr als einer Stufe erfolgen. Somit kann die Menge des für einen Betriebszyklus des Zylinders erforderlichen Wassers aus mehreren einzelnen Einspritzungen bestehen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Viertaktbrennkraftmaschine mit Turbolader gemäß Anspruch 13 bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung ausführlicher beschrieben, bei der es sich um eine einzelne Figur handelt, aus der in grafischer Darstellung die relative Öffnungs- und Schließbewegung eines Auslaßventils und eines Einlaßventils ersichtlich ist.
Ausführliche Beschreibung
In der Figur sind der Rotationswinkel der Kurbelwelle einer Viertaktbrennkraftmaschine durch die Achse A und die relative Bewegung der Ventile durch die Achse B verdeutlicht.
Die 1 zeigt auch den oberen Totpunkt (TDC) und den unteren Totpunkt (BDC) des Kolbens. Die relative Bewegung des Auslaßventils ist durch die Kurve 1 und die relative Bewegung des Einlaßventils durch die Kurve 2 dargestellt. Zusätzlich ist ein Bereich 3 dargestellt, in dem die Initiierung der Wassereinspritzung in vorteilhaftester Weise gemäß der Erfindung stattfinden kann. Die Beendigung der Wassereinspritzung kann vor oder nach dem Ende des Bereichs 3 erfolgen.
Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Anfänge und Enden der Bewegungen der Ventile mit dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt des Kolbens nicht vollständig synchronisiert. In Übereinstimmung mit dieser Betriebsweise können beispielsweise das Auslaßventil und das Einlaßventil für einen gewissen Zeitraum gleichzeitig in der offenen Position sein, um ein Spülen des Zylinders zu ermöglichen. Die Steuerung des Auslaßventils und des Einlaßventils wird in der internen Rückführung der Verbrennungsgase genutzt, so daß die Spülung des Zylinders unvollständig bleibt, wodurch ein Teil der Verbrennungsgase im Zylinder verbleibt und sich mit Gasen und Wasser, die während eines Einlaßhubs in den Zylinder eingeleitet werden, vermischt, um die Verminderung von Stickoxiden (NOx) in Kombination mit der Steuerung der Initiierung der Wassereinspritzung zu verstärken, die frühestens stattfindet, wenn das Einlaßventil sich über etwa 50% des Gesamtbereichs seiner Öffnungsbewegung bewegt hat. Anders ausgedrückt: Das Auslaßventil und das Einlaßventil sind gleichzeitig in der offenen Position, um die Verminderung von Stickoxiden (NOx) dadurch zu verstärken, daß bewirkt wird, daß ein Teil der Verbrennungsgase im Brennraum der Maschine verbleibt. Aus der Figur ist auch ersichtlich, daß ein wesentlicher Teil des Wassers eingespritzt wird, nachdem der Kolben seinen oberen Totpunkt (TDC) passiert hat und während das Auslaßventil noch offen ist, d.h. in dieser Stufe wird eine kombinierte interne Verbrennungsgasrückführung und Wassereinspritzung praktiziert.
Vorzugsweise werden Sensoren vorgesehen, um entweder die Positionen der Ventile oder die Positionen der Ventilöffnungsmechanismen direkt an Stellen zu messen, an denen die Positionen der Ventilöffnungsmechanismen mit denjenigen der jeweiligen Ventile direkt verbunden sind. Jeder Sensor überträgt elektrische Informationen an eine Steuerungseinheit, die die Wassereinspritzung in jeden Zylinder steuert.
Indem, auf der Basis der Betriebsweise und der Betriebsbedingung der Maschine, die jeweilige erforderliche Wassermenge ermittelt und festgelegt wird, kann die Einspritzung selbst, je nach Bedarf, in einer oder in mehreren Stufen in einfachster Weise mittels üblicher Einspritzdüsenmittel direkt in den Zylinder hinein erfolgen. Auf dieser Basis kann das Ende der Wassereinspritzung vor oder nach dem Schließen des Einlaßventils stattfinden. Hauptsächlich ist es jedoch unbedingt erforderlich, daß die Nachteile hinsichtlich der Wassereinspritzung, insbesondere am Ende des Verdichtungshubs, vermieden werden.
Die Menge des einzuspritzenden Wassers kann somit gemäß Faktoren, wie beispielsweise die Belastung der Maschine, die erwünschte Reinheit der Abgase usw., geändert werden. Das Massenverhältnis zwischen eingespritztem Wasser und Kraftstoff kann typischerweise z.B. 1:1 bis 3:1 betragen. Durch Einspritzen von Wasser in Übereinstimmung mit der Erfindung können Stickoxide (NOx) typischerweise um 60–70% und, kombiniert mit einer internen Rückführung, typischerweise um 70–80% vermindert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen und numerischen Werte beschränkt, sondern es können innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche verschiedene Modifizierungen der Erfindung vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Turbolader in Übereinstimmung mit einem einen Einlaßhub einschließenden Betriebszyklus, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum und ein Einlaßventil hat, das durch einen Bereich zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position bewegbar ist, um dem Brennraum Luft zuzuführen, wobei das Verfahren das mindestens im wesentlichen während des Einlaßhubs des Betriebszyklus der Maschine erfolgende Einleiten von Wasser in den Brennraum umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Einleiten von Wasser frühestens dann beginnt, wenn sich das Einlaßventil über etwa 50% des Bereichs aus seiner geschlossenen Position in seine offene Position bewegt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Einleiten des Wassers in Dampfform umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Einleiten des Wassers durch sein direktes Einspritzen in den Brennraum umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, das das Einleiten von Wasser, das ein darin aufgelöstes Agens zum Kühlen des Verbrennungsvorgangs und/oder zur Verminderung von Stickoxiden, beispielsweise Harnstoff und/oder Ammoniak, in den Brennraum umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, das das Regulieren des Zeitpunkts der Initiierung, der Menge und/oder der Dauer des Einleitens von Wasser in Übereinstimmung mit der erforderlichen Verminderung von Stickoxiden (NOx) und der Belastung und/oder Betriebsdrehzahl der Maschine umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, das das kontinuierliche Bestimmen der Feuchtigkeit der Einlaßluft der Maschine und das Regulieren der Menge des eingeleiteten Wassers in Übereinstimmung mit der Feuchtigkeit der Einlaßluft umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, das das Regulieren der Menge des eingeleiteten Wassers in Übereinstimmung mit dem in den Abgasen gemessenen Stickoxidgehalt (NOx) umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, das das Steuern der Bewegung eines Auslaßventils und des Einlaßventils umfaßt, so daß ein Teil der Verbrennungsgase im Brennraum der Maschine verbleibt, um die Verminderung von Stickoxiden (NOx) zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 8, das das Steuern der Bewegung des Auslaßventils und des Einlaßventils umfaßt, um eine interne Verbrennungsgasrückführung zu bewirken.
Verfahren nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, das das Steuern der Bewegung des Auslaßventils, so daß es offen bleibt, nachdem der Kolben seinen oberen Totpunkt (TDC) passiert hat, und das Einleiten einer wesentlichen Wassermenge, nachdem der Kolben seinen TDC passiert hat und während das Auslaßventil noch offen ist, umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, das das Einleiten des Wassers in mehr als einer Stufe umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, wobei das Massenverhältnis zwischen der einzuleitenden Wassermenge und der Kraftstoffmenge 1:1 bis 3:1 beträgt.
Viertaktbrennkraftmaschine mit Turbolader, die nach einem Verfahren in Übereinstimmung mit einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche betrieben wird.