EP0561740A1

EP0561740A1 - Method of operation of a Diesel engine and such Diesel engine

Info

Publication number: EP0561740A1
Application number: EP93810182A
Authority: EP
Inventors: Lars Thorbjörn Collin
Original assignee: Lars Collin Consult AB
Current assignee: Lars Collin Consult AB
Priority date: 1992-03-20
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1993-09-22
Anticipated expiration: 2013-03-12
Also published as: EP0561740B1; US5522359A; EP0698729A1; JPH0642374A; DK0561740T3; FI931221A; DE59302555D1; FI931221A0

Abstract

In a method for the operation of a diesel engine the compression pressure, the timing of the fuel injection and the ignition are controlled in such a way that the maximum total pressure in the cylinder essentially does not rise any more following ignition of the mixture. <IMAGE>

Description

Verfahren und Vorrichtungen zum Einspritzen und Zünden von Dieseltreibstoff in einen Verbrennungsmotor sind in Vielzahl bekannt und gebräuchlich. In der Praxis wird dabei der Treibstoff mittels einer Pumpe auf einen bestimmten Einspritzdruck gebracht und gleichzeitig das Einspritzventil geöffnet. Das Ventil kann dabei ebenso wie die Einspritzpumpe durch eine mit dem Motor synchronisierte Einrichtung betätigt werden. Es sind auch Ausführungsvarianten gebräuchlich, bei denen das Ventil in Abhängigkeit vom Treibstoffdruck automatisch öffnet, sobald ein bestimmter Druckwert überschritten wird.A large number of methods and devices for injecting and igniting diesel fuel in an internal combustion engine are known and customary. In practice, the fuel is brought to a certain injection pressure by means of a pump and the injection valve is opened at the same time. The valve, like the injection pump, can be actuated by a device synchronized with the engine. There are also design variants in which the valve opens automatically as a function of the fuel pressure as soon as a certain pressure value is exceeded.

In der Praxis werden Einspritzventile heute zu Beginn des Druckaufbaus durch die Einspritzpumpe geöffnet und nach Absinken des Drucks wieder geschlossen. Bei druckgesteuerten Ventilen liegt der Oeffnungswert in der Regel bei etwa 20% oder 30% des maximalen Arbeitsdrucks der Treibstoffpumpe.In practice, injection valves are opened by the injection pump at the beginning of the pressure build-up and closed again after the pressure drops. With pressure-controlled valves, the opening value is usually around 20% or 30% of the maximum working pressure of the fuel pump.

Das Luft-Treibstoff-Gemisch wird sodann im Zylinder weiter komprimiert und kommt dann zur Zündung. Bei bekannten Motoren baut sich dabei unmittelbar nach dem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens im Zylinder ein Verbrennungsdruck auf, der wenigstens das 1,5 bis 2-fache des Kompressionsdrucks des Motors beträgt.The air-fuel mixture is then further compressed in the cylinder and then comes to ignition. In known engines, immediately after top dead center (TDC) of the piston, a combustion pressure builds up in the cylinder that is at least 1.5 to 2 times the compression pressure of the engine.

Derartige Motoren weisen einen guten Wirkungsgrad auf. Auf der anderen Seite sind Parameter, die guten Wirkungsgrad gewährleisten, häufig geeignet, schlechte Emissionswerte (vor allem NO_x) hervorzurufen. Dazu gehört z.B. Temperatur, Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung, Verbrennungsdruck und Verbrennungsdauer.Such motors have good efficiency. On the other hand, parameters that ensure good efficiency are often suitable for producing bad emission values (especially NO _x ). This includes, for example, temperature, excess oxygen during combustion, combustion pressure and combustion duration.

Um NO_x Erzeugung zu reduzieren, sind verschiedene Methoden bekannt:There are various methods to reduce NO _x generation known:

Es wurde vorgeschlagen, Auspuffgase zu rezirkulieren, um die O₂ Konzentration und damit die Maximal-Temperatur zu reduzieren; es wurde vorgeschlagen, in die Ansaugluft Wasser zu sprühen, um die Kompressions-Temperatur zu reduzieren und die O₂ Konzentration zu verringern. Es wurde auch schon vorgeschlagen, den Zeitpunkt der Einspritzung zu verzögern, um im Motorzyklus die Zeit für die NO_x Bildung zu verringern.It has been proposed to recirculate exhaust gases to reduce the O₂ concentration and thus the maximum temperature; it has been proposed to spray water into the intake air to reduce the compression temperature and reduce the O₂ concentration. It has also been proposed to delay the timing of the injection in order to reduce the time for NO _x formation in the engine cycle.

Alle diese bekannten Verfahren sind einerseits aufwendig und erfordern zusätzliche Vorrichtungen und können andererseits den Wirkungsgrad des Motors reduzieren.All these known methods are complex on the one hand and require additional devices and on the other hand can reduce the efficiency of the motor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei hohem Wirkungsgrad die Schadstoffemission von NO_x verringert.The invention has for its object to avoid the disadvantages of the known, in particular to create a method of the type mentioned that reduces the pollutant emission of NO _x with high efficiency.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe in erster Linie gemäss den Patentansprüchen gelöst.According to the invention, this object is primarily achieved according to the patent claims.

Durch die erfindungsgemässen Massnahmen wird eine Mehrzahl von Parametern des Verbrennungsvorgangs in vorteilhafter Weise verändert:A number of parameters of the combustion process are advantageously changed by the measures according to the invention:

Durch die Begrenzung des Druckanstiegs während der Verbrennung wird erreicht, dass während der Verbrennung kein druckbedingter zusätzlicher Temperaturanstieg bzw. eine Temperaturüberhöhung stattfindet, wodurch vor allem die Erzeugung von NO_x wesentlich verringert wird. Statt eines scharfen Druck- und Temperaturanstiegs bei Beginn der Energiefreigabe erfolgt ein kontrollierter Verbrennungsvorgang im Zylinder, der durch gleichzeitige Volumenvergrösserung bei Absenkung des Kolbens eine etwa konstante oder vorteilhafter Weise sogar leicht abfallende Druckkurve ermöglicht. Dies bedingt höhere Verdichtung des Motors, wobei sich vor allem Verdichtungsverhältnisse von 1:16 bis 1:20, vorzugsweise 1:18 bis 1:20 und/oder eine Verdichtung auf 175 oder 180 bar bewährt haben. Der Motor wird dabei auf diese hohen Verdichtungswerte verdichtet und es wird in der Expansionsphase der Zündvorgang herbeigeführt.The limitation of the pressure rise during the combustion ensures that there is no additional pressure-related temperature rise or a temperature rise during the combustion, which in particular significantly reduces the generation of NO _x . Instead of a sharp rise in pressure and temperature at the start of the energy release, there is a controlled combustion process in the cylinder which, through simultaneous increase in volume when the piston is lowered, enables an approximately constant or advantageously even slightly decreasing pressure curve. This requires higher compression of the engine, whereby compression ratios from 1:16 to 1:20, preferably 1:18 to 1:20 and / or compression to 175 or 180 bar have proven successful. The engine is compressed to these high compression values and the ignition process is brought about in the expansion phase.

Gleichzeitig ist erfindungsgemäss vorgesehen, den Treibstoff erst in den Verbrennungsraum einzuspritzen, wenn der Treibstoffdruck wenigstens 75% und vorteilhaft zwischen etwa 80% und 90% seines maximalen Einspritzdrucks erreicht hat. Dies bewirkt eine Verkürzung der Einspritzdauer, bessere Verteilung des Treibstoffs in kleineren Tröpfchen und dadurch eine schnellere Vergasung des Treibstoffs. Dies wiederum führt zu homogenen Verhältnissen im Brennraum und gewährleistet gleichmässige Verbrennung. Das verbrennbare Gemisch wird in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne erzeugt. Ausserdem wird die Verzögerung für Vorverbrennungs-Reaktionen zwischen den Kohlenwasserstoffen und dem Sauerstoff verkürzt und die Verbrennung optimiert. Wesentliche Verbesserung lässt sich dabei bereits erreichen, wenn das Ventil erst geöffnet wird, wenn der Treibstoff-Druck wenigstens 80% seines maximalen Einspritzdrucks erreicht hat.At the same time, it is provided according to the invention not to inject the fuel into the combustion chamber until the fuel pressure has reached at least 75% and advantageously between approximately 80% and 90% of its maximum injection pressure. This shortens the injection time, better distribution of the fuel in smaller droplets and thereby faster gasification of the fuel. This in turn leads to homogeneous conditions in the combustion chamber and guarantees even combustion. The combustible mixture is generated in a much shorter period of time. The delay for pre-combustion reactions between the hydrocarbons and the oxygen is also shortened and the combustion is optimized. Significant improvement can already be achieved if the valve is only opened when the fuel pressure has reached at least 80% of its maximum injection pressure.

Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: die schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Verbrennungsmotor,
Figur 2: den Verlauf der Ventilöffnung in Abhängigkeit vom Treibstoffdruck,
Figur 3: die schematische Darstellung des Druckverlaufs im Verbrennungsraum des Dieselmotors zum Zeitpunkt der Zündung und
Figur 4: ein Diagramm mit Vergleichswerten von NO_x-Anteil im Abgas eines Verbrennungsmotors bei verschiedenen Betriebsbedingungen.

The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:

Figure 1: the schematic representation of a section of an internal combustion engine,
Figure 2: the course of the valve opening depending on the fuel pressure,
Figure 3: the schematic representation of the pressure curve in the combustion chamber of the diesel engine at the time of ignition and
Figure 4: a diagram with comparative values of NO _x content in the exhaust gas of an internal combustion engine under different operating conditions.

Wie in Figur 1 schematisch dargestellt ist, wird durch ein Einspritzventil 1 Treibstoff dem Verbrennungsraum 2 eines schematisch dargestellten Dieselmotors zugeführt. Das Einspritzventil 1 wird durch eine Steueranordnung 3 im gewünschten Zeitpunkt des Verbrennungszyklus geöffnet. Das Einspritzventil 1 wird von einer Pumpe 4 mit Treibstoff versorgt, wobei die Pumpe 4 ebenfalls in Abhängigkeit vom Kurbelwellen-Winkel bzw. vom jeweiligen Zeitpunkt des Motor-Zyklus gesteuert wird. Der durch die Pumpe 4 erzeugte Treibstoffdruck beträgt maximal etwa 1000 bis 1500 atm (Atmosphären).As shown schematically in FIG. 1, fuel is supplied to the combustion chamber 2 of a schematically illustrated diesel engine through an injection valve 1. The injection valve 1 is opened by a control arrangement 3 at the desired point in time of the combustion cycle. The injection valve 1 is supplied with fuel by a pump 4, the pump 4 also being controlled as a function of the crankshaft angle or the respective point in time of the engine cycle. The fuel pressure generated by the pump 4 is a maximum of about 1000 to 1500 atm (atmospheres).

(Der Maximaldruck schwankt bei verschiedenen Motorentypen von ca. 200 atm bis 1700 atm. In gleicher Weise kann die Anstiegscharakteristik der Treibstoff-Druckkurve variieren.)(The maximum pressure for various engine types fluctuates from approx. 200 atm to 1700 atm. In the same way, the rise characteristic of the fuel pressure curve can vary.)

Der Verlauf des Treibstoff-Drucks ist in Figur 2 dargestellt. Während bei herkömmlichen Dieselmotoren das Einspritzventil zu Beginn des Druckaufbaus durch die Pumpe 4 öffnet (spätestens bei 200 - 300 atm), ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass das Einspritzventil 1 erst zum Zeitpunkt T1 öffnet, wenn der am Einspritzventil anliegende Treibstoffdruck bereits etwa 1000 atm, d.h. etwa 83 % des Maximaldrucks von ca. 1200 atm erreicht hat. Durch den hohen Druck wird der Dieseltreibstoff mit ausserordentlich hoher Geschwindigkeit und vor allem mit kleinstem Tröpfchendurchmesser in den Verbrennungsraum 2 eingespritzt, so dass der Verbrennungsablauf optimiert und vor allem auch verkürzt wird. Das Einspritzventil 1 schliesst wieder bei T2, wobei der Treibstoffdruck immer noch ca. 900 - 950 atm, also über 70 % des Maximaldrucks beträgt. Dies gewährleistet, dass nicht in der Schliessphase noch grosse Treibstoff-Tropfen eingespritzt werden, welchen den Verbrennungsablauf in dieser Phase beeinträchtigen können.The course of the fuel pressure is shown in Figure 2. While in conventional diesel engines the injection valve opens at the beginning of the pressure build-up by the pump 4 (at the latest at 200-300 atm), it is provided according to the invention that the injection valve 1 only opens at the time T1 when the fuel pressure applied to the injection valve is already around 1000 atm, ie has reached approximately 83% of the maximum pressure of approximately 1200 atm. Due to the high pressure, the diesel fuel is injected into the combustion chamber 2 at an extraordinarily high speed and especially with the smallest droplet diameter, so that the combustion process is optimized and, above all, shortened. The injection valve 1 closes again at T2, the fuel pressure still being approximately 900-950 atm, ie over 70% of the maximum pressure. This ensures that large drops of fuel are not injected in the closing phase, which can impair the combustion process in this phase.

Unabhängig vom spezifischen Maximaldruck eines bestimmten Motor-Typs wird durch die relative Anhebung des Drucks während der Einspritzphase das Schadstoffverhalten des Motors verbessert.Regardless of the specific maximum pressure of a certain engine type, the relative increase in pressure during the injection phase improves the engine's pollutant behavior.

Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass der Druckanstieg im Verbrennungsraum eines erfindungsgemäss betriebenen Motors bis zum Zeitpunkt der Zündung kontinuierlich erfolgt und allmählich abflacht. Der Zündzeitpunkt tz ist relativ spät, so dass die Expansion der gezündeten Gaswolke in die Expansionsphase des Motors fällt. Dadurch wird erreicht, dass nach der Zündung kein wesentlicher Druckanstieg erfolgt, wodurch zusätzliche Erhitzung durch Druckzunahme während der Verbrennung vermieden wird. Auf diese Weise lässt sich optimal einfach der Schadstoffausstoss, vor allem der NO_x-Anteil im Abgas drastisch reduzieren. Dies lässt sich mit einfachen Mitteln erreichen: der Kompressionsdruck des Motors muss auf einen Wert erhöht werden, der die späte Zündung und die Gasausdehnung in der Expansionsphase des Motors ermöglicht. Es müssten also lediglich die wichtigsten Verbrennungsparameter, wie Kompressionsdruck, Einspritzung des Treibstoffs und Zündung derart gesteuert werden, dass der Gesamtdruck im Zylinder bestehend aus Kompressionsdruck und Verbrennungsdruck den maximalen Kompressionsdruck nicht wesentlich übersteigt, dass also keine weitere Druckzunahme nach der Zündung erfolgt. Ein leichter Anstieg, z.B. um 10% lässt sich dabei manchmal nicht vermeiden. Besonders optimal ist es aber, wenn vom Zeitpunkt der Zündung an der Druck im Verbrennungsraum nicht mehr ansteigt sondern möglichst sogar etwas abfällt, wie dies im Diagramm gemäss Figur 3 gezeigt ist.It can be seen from FIG. 3 that the pressure increase in the combustion chamber of an engine operated according to the invention takes place continuously until the time of ignition and gradually flattens out. The ignition point tz is relatively late, so that the expansion of the ignited gas cloud falls into the engine's expansion phase. This ensures that there is no significant increase in pressure after ignition, which avoids additional heating due to pressure increase during combustion. In this way, pollutant emissions, especially the NO _x content in the exhaust gas, can be drastically reduced in an optimal way. This can be achieved with simple means: the compression pressure of the engine must be increased to a value that enables late ignition and gas expansion in the engine's expansion phase. It would therefore only be necessary to control the most important combustion parameters, such as compression pressure, fuel injection and ignition, in such a way that the total pressure in the cylinder consisting of compression pressure and combustion pressure does not significantly exceed the maximum compression pressure, so that there is no further pressure increase after ignition. A slight increase, e.g. by 10%, can sometimes not be avoided. It is particularly optimal, however, if the pressure in the combustion chamber no longer rises from the time of ignition, but rather drops as much as possible, as shown in the diagram in FIG. 3.

Figur 4 zeigt einen Vergleichstest an einem konventionellen Dieselmotor. Der Motor wurde bei verschiedenen Drehzahl/Lastverhältnissen 1 bis 8 betrieben und dabei wurde der NO_x-Ausstoss in Gramm NO_x/kWh gemessen und aufgetragen. Die oberste Kurve zeigt den Test 1, bei dem der Motor ohne Veränderung betrieben wurde. Der Oeffnungsdruck des Einspritzventils beträgt dabei 280 atm; die Einspritzung beginnt bei 20° vor OT Druck aufzubauen und das Verdichtungsverhältnis beträgt 1:13.Figure 4 shows a comparative test on a conventional diesel engine. The engine was operated at various speed / load ratios 1 to 8 and the NO _x emissions were measured and plotted in grams of NO _x / kWh. The top curve shows Test 1, in which the engine is unchanged was operated. The opening pressure of the injection valve is 280 atm; the injection begins to build up at 20 ° before TDC and the compression ratio is 1:13.

Beim zweiten Test wurden die ersten beiden Parameter gleichgelassen und lediglich das Verdichtungsverhältnis auf 1:16 erhöht. Ersichtlicherweise ist dabei bereits eine Abnahme des NO_x-Gehalts zu verzeichnen.In the second test, the first two parameters were left unchanged and only the compression ratio was increased to 1:16. As can be seen, there is already a decrease in the NO _x content.

Beim dritten Test ist der Einspritzdruck immer noch bei 280 atm; jetzt beginnt jedoch die Einspritzung erst bei 14° vor OT Druck aufzubauen und im Bereich von OT einzuspritzen. Dadurch wird der Zeitpunkt der Zündung so verschoben, dass die Verbrennung in die Expansionsphase des Motors fällt. Bei diesem Test findet keine Druckzunahme im Zylinder nach der Zündung statt. Das Verdichtungsverhältnis beträgt 1:18.In the third test, the injection pressure is still at 280 atm; Now, however, the injection only begins to build up at 14 ° before TDC and inject in the TDC area. This shifts the timing of the ignition so that the combustion falls into the engine's expansion phase. In this test, there is no increase in pressure in the cylinder after ignition. The compression ratio is 1:18.

Beim untersten und letzten Test wurde der Zeitpunkt der Einspritzung und das Verdichtungsverhältnis des Tests 3 übernommen. Der Oeffnungsdruck des Ventils wurde aber auf 900 atm angehoben, was ersichtlicherweise noch einmal eine Absenkung des NO_x-Ausstosses bewirkt.In the lowest and last test, the time of injection and the compression ratio of test 3 were adopted. However, the opening pressure of the valve was raised to 900 atm, which evidently brings about a further reduction in NO _x emissions.

Wie das Diagramm gemäss Figur 4 ergibt, lässt sich auf einfachste Weise und ohne grosse Aenderungen am Motor eine Reduzierung des NO_x-Ausstosses auf etwa den halben Wert erreichen. Dabei wurde nur ein unwesentlicher, in der Praxis zu vernachlässigender Anstieg des Verbrauchs beobachtet.As the diagram according to FIG. 4 shows, the NO _x emissions can be reduced to about half the value in the simplest way and without major changes to the engine. Only an insignificant, negligible increase in consumption was observed.

Claims

Method for operating a diesel engine with a fuel injection arrangement, characterized in that the compression pressure in the cylinder, the control of the injection of the fuel and the ignition of the mixture and the fuel pressure are controlled such that the total pressure in the cylinder after the onset of combustion is essentially not increases, and that the fuel is only injected into the combustion chamber when the fuel pressure has reached at least 75% of its maximum injection pressure.

A method according to claim 1, characterized in that the fuel is injected only at at least 80% of its maximum pressure.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion parameters of the engine are controlled such that the maximum total pressure after the ignition is not higher than approximately 1.1 times the maximum compression pressure by the piston.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion parameters of the engine are controlled such that the total pressure in the cylinder drops substantially after the ignition process.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder volume is compressed at least in a ratio of 1:16 to 1:20, advantageously in a ratio of approximately 1:18.

Diesel engine with a fuel injection arrangement, characterized by at least one device for controlling the timing of the injection and the injection pressure and for ignition at such a time that the total pressure in the cylinder essentially does not rise after the onset of combustion, by an injection arrangement for injecting the Fuel after reaching at least 75% of the maximum injection pressure, and by a compression ratio of at least 1:16 to 1:20, preferably of about 1:18.