EP2129894A2 - Brennverfahren für eine hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Brennverfahren für eine hubkolben-brennkraftmaschine

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EP2129894A2
EP2129894A2 EP08716564A EP08716564A EP2129894A2 EP 2129894 A2 EP2129894 A2 EP 2129894A2 EP 08716564 A EP08716564 A EP 08716564A EP 08716564 A EP08716564 A EP 08716564A EP 2129894 A2 EP2129894 A2 EP 2129894A2
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EP
European Patent Office
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fuel
combustion
combustion chamber
ignition
phase
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08716564A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Huebner
Amin Velji
Sebastian Hensel
Christof Schulz
Boris Kock
Norbert Peters
Olaf RÖHL
Konstantinos Boulouchos
Ulrich Spicher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0261—Controlling the valve overlap
    • F02D13/0265—Negative valve overlap for temporarily storing residual gas in the cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
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    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3017—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
    • F02D41/3035—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
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    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
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    • F02D41/403—Multiple injections with pilot injections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/01—Internal exhaust gas recirculation, i.e. wherein the residual exhaust gases are trapped in the cylinder or pushed back from the intake or the exhaust manifold into the combustion chamber without the use of additional passages
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a combustion method, in particular for a 4-stroke reciprocating piston internal combustion engine having the features of the preamble of patent claim 1.
  • HCCI or CAI internal combustion engines also known as internal combustion engines with Regenzündverbrennung, a lean basic mixture of air, fuel and retained exhaust gas is usually formed in the lower part load and ignited itself. To higher loads occur by the auto-ignition steep pressure increases in the combustion chamber, which would lead to an impairment of the operation.
  • Object of the present invention is to show a combustion process, in particular for a 4-stroke reciprocating internal combustion engine, with a very precise control of the ignition timing is possible.
  • the combustion can use controlled by spark ignition or auto-ignition, which then runs very fast and stable and the NOx level remains low due to the very fast and late reaction. Parallel to this, as a result of the high degree of ignitability of the mixture and / or the high flame propagation speed, the combustion can be very lean, which again considerably reduces the combustion temperatures.
  • ignitable fuels such as hydrogen or reformer gas.
  • H 2 - enriched gas is added to the gasoline.
  • the Brennyerfahren invention can. can be used for almost every type of fuel such as gasoline, diesel, etc.
  • the intermediates according to the claims 2 and 3 are formed during the upper charge alternation phase (LOT phase) by an undercut of the gas exchange valves, since then present in the compression phase, the intermediates very homogeneous in the combustion chamber.
  • ignition can be carried out either by a spark ignition, such as with a spark plug or by stopping the injection of additional fuel, followed by auto-ignition.
  • a spark ignition such as with a spark plug or by stopping the injection of additional fuel, followed by auto-ignition.
  • a further emission reduction is possible according to claim 6, characterized in that the fresh gas is at least partially mixed with exhaust gas. This may be, for example, an external exhaust gas recirculation.
  • the exhaust gas is formed in the combustion chamber at least partially with a high oxygen excess.
  • FIG. 1 shows a cylinder internal pressure curve for a first operating mode of an inventively operated. Internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows a cylinder internal pressure curve for a second operating mode of an internal combustion engine operated according to the invention.
  • Fig. 3 shows numerically calculated temperature and lambda curves
  • Fig. 1 shows a cylinder internal pressure curve for an inventively operated 4-stroke reciprocating internal combustion engine in a first mode. Shown is schematically a cylinder internal pressure curve 1 via 720 ° crankshaft. An internal cylinder pressure of the engine is plotted across the Y axis and the 720 ° crankshaft is plotted across the X axis.
  • LOT charge cycle dead center
  • ZOT upper ignition dead center
  • the combustion method according to the invention is provided for the 4-stroke reciprocating internal combustion engine with a combustion chamber, the volume of which is variable by a liftable piston and wherein a fuel such.
  • a fuel such as gasoline, diesel, etc. directly into the combustion chamber einbringbar (injectible or einblasbar) is.
  • the fuel should contain carbon atoms or include hydrocarbons.
  • the internal combustion engine has at least one Gas buildingeinlass- and a Gas crispauslassventil for a gas exchange and the combustion chamber has the upper charge change dead center (LOT) and the upper Zündtotddling (ZOT) each on a minimum volume.
  • the combustion process comprises the following process steps:
  • a pilot quantity of fuel (e) is introduced into the combustion chamber before introduction of the main quantity of fuel (x);
  • the main amount of fuel (x) during the compression phase (b) is introduced into the combustion chamber such that a complete ignition of the mixture of fresh gas and the intermediates is suppressed and other intermediates that need not necessarily be identical to those from the activation phase, are formed until a controlled ignition of the mixture and the other intermediates takes place (c).
  • Intermediates is understood to mean a fuel which, for. B. has a higher burning speed than the starting fuel.
  • This may be for example a mixture of fuel, partially oxidized hydrocarbons, formaldehyde and hydrogen peroxide.
  • One way of producing the intermediates is the so-called cold flame or cold combustion. This chemical process occurs in a temperature range between 700 K and 1000 K.
  • the combustion chamber is understood here to mean the space which comprises the displacement volume and the compression volume, the volumes being formed by a cylinder inner side, a piston head and a cylinder.
  • FIG. 2 shows a cylinder internal pressure curve for a 4-stroke reciprocating internal combustion engine operated according to the invention in a second operating mode.
  • the basic four-stroke operation of the reciprocating internal combustion engine speaks the one shown in Fig. 1.
  • the first fuel is introduced into the combustion chamber already in the LOT phase (h).
  • the temperatures of 700 K - 1000 K are also achieved in the combustion chamber in this second mode.
  • the intermediates in the subsequent compression phase (b) are particularly homogeneous in the combustion chamber.
  • a 6-stroke reciprocating internal combustion engine can be operated according to the invention.
  • FIG. 3 shows in a diagram simulation results on the influence of the continuous addition of fuel to the start of combustion.
  • the temperature in Kelvin and on the other the air / fuel ratio is plotted along the Y axis, and the time in milliseconds via the X axis.
  • the intermediates are formed. These are prone to rapid second conversion (main combustion), but by further addition of fuel, the onset of combustion may be delayed. As long as fuel is added, the main conversion (temperature increase to over 2500 K) is suppressed.
  • the intermediates are formed according to the second combustion process during the charge cycle OT phase by an undercut of the gas exchange valves.
  • the main amount of the fuel is preferably injected or injected during the introduction of fresh gas into the combustion chamber.
  • the ignition of the mixture in the combustion chamber can be effected by a spark ignition, for example with an ignition device, such as a spark plug.
  • the ignition of the mixture can be done by stopping the injection of the bulk of the fuel.
  • the fresh gas can advantageously be mixed at least partially with exhaust gas.
  • the combustion method according to the invention allows lean engine operation, which means that the exhaust gas is formed in the combustion chamber at least partially with an excess of oxygen.
  • the aim of the combustion process according to the invention is to delay the combustion by continuous addition of fuel ("refueling" of fuel) until the desired ignition point is reached, then the combustion can use controlled (by spark ignition or auto-ignition), which then runs very fast and the level of NOx remains low due to the very rapid and late reaction, and at the same time, due to the high level of ignitability of the mixture, the Run very lean combustion, which significantly reduces the combustion temperatures.
  • ignitable fuels such as hydrogen or reformer gas.
  • the combustion process according to the invention resolves the conflict of objectives, fuel consumption versus NOx emissions during the lean-burn process (Otto and Diesel) and thus the fulfillment of future emission regulations without any loss of fuel consumption. Furthermore, it is a worldwide usable lean burn process.
  • the inventive combustion process results in a significantly reduced effort and reduced costs for exhaust aftertreatment.

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Abstract

Brennverfahren, insbesondere für eine 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, dessen Volumen von einem hubbeweglichen Kolben veränderbar ist und wobei ein Kraftstoff direkt in den Brennraum einbringbar ist, wobei zumindest ein Gaswechseleinlass- und ein Gaswechselauslassventil für einen Ladungswechsel vorgesehen ist und wobei der Brennraum zu einem oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) und zu einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) ein minimales Volumen aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: - Einbringen eines Frischgases in einer Ansaugphase in den Brennraum (a); - Einbringen einer Hauptmenge eines Kraftstoffes (x) in den Brennraum während der Ansaugphase (a) und/oder einer Kompressionsphase (b); - Komprimieren des Frischgases und des Kraftstoffes in der Kompressionsphase (b); - Zünden eines im Brennraum gebildeten Gemisches aus Frischgas und Kraftstoff (C); - Expandieren und Ausschieben eines durch eine Verbrennung gebildeten Abgases in einer Expansionsphase (d), wobei - Eine Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffes (x) in den Brennraum eingebracht wird; - Zwischenprodukte der Pilotmenge des Kraftstoffes gebildet werden (f) und - die Hauptmenge des Kraftstoffs (x) während der Kompressionsphase (b) derart in den Brennraum eingebracht wird, dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte gebildet werden, bis eine kontrollierte Zündung des Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt (c). Durch das erfindungsgemäße Brennverfahren kann der Zielkonflikt Kraftstoffverbrauch versus NOx-Emission beim Magerbrennverfahren (Otto und Diesel) und damit zukünftige Emissionsvorschriften ohne Kraftstoffverbrauchseinbußen erfüllt werden.

Description

Brennverfahren für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren, insbesondere für eine 4-Takt-Hub- kolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung werden oftmals homogene magere Kraftstoff/Luft-Gemische zur Selbstzündung gebracht, so dass hohe Wirkungsgrade und verbesserte Abgasemissionen erzielt werden. Bei solchen sog. HCCI- bzw. CAI- Brennkraftmaschinen, auch als Brennkraftmaschinen mit Raumzündverbrennung bekannt, wird in der Regel in der unteren Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet und selbst gezündet. Zu höheren Lasten hin treten durch die Selbstzündung steile Druckanstiege im Brennraum auf, welche zu einer Beeinträchtigung des Betriebs führen würden.
Aus der deutschen Patentschrift DE 198 10 935 C2 ist beispielsweise ein Verfahren zum Betrieb einer nach dem 4-Takt-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein homogenes, mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet wird, welches nach einer Kompressionszündung verbrannt wird. Dabei wird zur Erweiterung des motorischen Betriebsbereiches mit Kompressionszündung eine Aktivierungsphase zwischengeschaltet. Während der Kompression des zurückgehaltenen Abgases wird eine Aktivierungskraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt und mit den restlichen Gemischanteilen im Brennraum möglichst homogen verteilt. Dem Gemisch wird hierdurch thermische Energie durch die Kompression zugeführt, so dass eine chemische Reaktion bzw. eine Zündung in der Nähe des oberen Ladungswechseltotpunkts eingeleitet wird. Über den Zeitpunkt und die Menge der Aktivierungseinspritzung kann der Zündzeitpunkt der Frischladung bei der Hauptverbrennung gesteuert werden.
Bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. bei sich verändernder Drehzahl, ist es mit dem gattungsgemäßen Brennverfahren sehr schwierig, über den Zeitpunkt und die Menge der Aktivierungseinspritzung den Zündzeitpunkt genau zu steuern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennverfahren, insbesondere für eine 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem eine sehr präzise Steuerung des Zündzeitpunkts möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch den Verfahrensschritt mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Es konnte numerisch nachgewiesen werden, dass eine unkontrollierte Kettenreaktion (Selbstzündung der Zwischenprodukte des Kraftstoff/Luft-Gemisches) durch Gegenwart von Kraftstoffmolekülen gezielt unterdrückt und so die Verbrennung hinausgezögert und deren Beginn kontrolliert und gesteuert werden kann. Unter Zwischenprodukten wird ein Kraftstoff verstanden, der eine höhere Brenngeschwindigkeit als der Ausgangskraftstoff hat. Dies kann z. B. ein Gemisch aus Kraftstoff, Formaldehyd und Wasserstoffperoxyd sein. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Zwischenprodukte ist die so genannte kalte Flamme oder kalte Verbrennung. Dieser chemische Prozess tritt in einem Temperaturbereich zwischen 700 K und 1000 K auf. Erfindungsgemäß wird nun die Verbrennung solange durch kontinuierliche Zugabe von Kraftstoff hinausgezögert („Nachfüttern mit weiterem Kraftstoff') bis der gewünschte Zündzeitpunkt erreicht ist. Danach kann die Verbrennung kontrolliert durch Fremdzündung oder Selbstzündung einsetzen, die dann sehr schnell und stabil abläuft und das NOx-Niveau aufgrund der sehr schnellen und späten Reaktion niedrig bleibt. Parallel hierzu kann als Folge der hohen Zündwilligkeit des Gemisches und/oder der hohen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit die Verbrennung sehr mager ablaufen, was die Verbrennungstemperaturen nochmals erheblich senkt. Dass ein derartiger, erfin- dungsgemäßer Verbrennungsablauf zu sehr niedrigen NOx-Emissionen führt, belegen Ergebnisse bei einer Magerverbrennung mit zündwilligen Kraftstoffen, wie Wasserstoff oder Reformergas. Bei letzterem wird z.B. H2- angereichertes Gas dem Benzin zugemischt. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Brennyerfahren jedoch. für fast jede Art von Kraftstoff wie beispielsweise Benzin, Diesel, etc. eingesetzt werden. Zur Erzeugung von Zwischenprodukten ist es notwendig, einen Kraftstoff zu verwenden, der durch eine ausgeprägte Niedertemperaturkinetik charakterisiert ist. Dies ist bei höheren Kohlenwasserstoffen der Fall, weshalb Kraftstoffe wie z. B. Ethanol oder Erdgas für das erfindungsgemäße Verfahren eher nicht geeignet sind.
Bevorzugt werden die Zwischenprodukte gemäß der Patentansprüche 2 und 3 während der oberen Ladungswechseltotphase (LOT-Phase) durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile gebildet, da dann in der Kompressionsphase die Zwischenprodukte sehr homogen im Brennraum vorliegen.
Gemäß der Patentansprüche 4 und 5 kann eine Zündung entweder durch eine Fremdzündung, wie beispielsweise mit einer Zündkerze oder durch das Stoppen der Einspritzung von weiterem Kraftstoff, mit anschließender Selbstzündung erfolgen. Eine weitere Emissionssenkung ist gemäß Patentanspruch 6 dadurch möglich, dass das Frischgas zumindest teilweise mit Abgas gemischt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine externe Abgasrückführung handeln.
Neben einem stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine ist auch ein Magerbetrieb gemäß Patentanspruch 7 möglich. Hierfür wird das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem hohen Sauerstoffüberschuss gebildet.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von 3 Figuren für zwei Betriebsarten näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erste Betriebsart einer erfindungsgemäß betriebenen. Brennkraftmaschine.
Fig. 2 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine zweite Betriebsart einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine.
Fig. 3 zeigt numerisch berechnete Temperatur- und Lambdaverläufe
(Luft-/Kraftstoffverhältnis) für eine erfindungsgemäß beschriebene Zugabe von Kraftstoff („Nachfüttern mit weiterem Kraftstoff').
Fig. 1 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erfindungsgemäß betriebene 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine in einer ersten Betriebsart. Dargestellt ist schematisch ein Zylinderinnendruckverlauf 1 über 720° Kurbelwelle. Ein Zylinderinnendruck der Brennkraftmaschine ist über die Y- Achse und die 720° Kurbelwelle sind über die X-Achse aufgetragen. Der erste gestrichelt dargestellte Druckanstieg, gebildet durch eine Gaswechsel- ventilunterschneidung, entspricht einem oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) eines Kolbens, der zweite Druckanstieg, in Richtung der X-Achse betrachtet, entspricht einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) des Kolbens.
In einer weiteren Betriebsart der Brennkraftmaschine kann auch der erste Druckanstieg beispielsweise durch eine Gaswechselventilüberschneidung entfallen.
Bei einer Gaswechselventilunterschneidung sind die Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventile bei einer Lage des Kolbens nahe dem LOT geschlossen, bei einer Gaswechselventilüberschneidung sind die Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventile bei einer Lage des Kolbens nahe dem LOT geöffnet.
Das erfindungsgemäße Brennverfahren ist für die 4-Takt-Hubkolben-Brenn- kraftmaschine vorgesehen mit einem Brennraum, dessen Volumen von einem hubbeweglichen Kolben veränderbar ist und wobei ein Kraftstoff wie z. B. Benzin, Diesel, etc. direkt in den Brennraum einbringbar (einspritz- oder einblasbar) ist. Vorzugsweise soll der Kraftstoff Kohlenstoffatome enthalten, bzw. Kohlenwasserstoffe beinhalten. Die Brennkraftmaschine verfügt über zumindest ein Gaswechseleinlass- und ein Gaswechselauslassventil für einen Ladungswechsel und der Brennraum weist zum oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) und zu dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) jeweils ein minimales Volumen auf. Das Brennverfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- Einbringen eines Frischgases in einer Ansaugphase in den Brennraum (a);
- Einbringen einer Hauptmenge eines Kraftstoffes (x) in den Brennraum während der Ansaugphase (a) und/oder einer Kompressionsphase (b);
- Komprimieren des Frischgases und des Kraftstoffes in der Kompressionsphase (b); - Zünden eines im Brennraum gebildeten Gemisches aus Frischgas und Kraftstoff (c);
- Expandieren und Ausschieben eines durch eine Verbrennung gebildeten Abgases in einer Expansionsphase (d), wobei
- eine Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffes (x) in den Brennraum eingebracht wird;
- Zwischenprodukte der Pilotmenge des Kraftstoffes (f) gebildet werden (Aktivierung),
- die Hauptmenge des Kraftstoffs (x) während der Kompressionsphase (b) derart in den Brennraum eingebracht wird, dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte, die nicht zwangsläufig identisch mit denen aus der Aktivierungsphase sein müssen, gebildet werden, bis eine kontrollierte Zündung des Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt (c).
Unter Zwischenprodukten wird ein Kraftstoff verstanden, der z. B. eine höhere Brenngeschwindigkeit als der Ausgangskraftstoff hat. Dies kann beispielsweise ein Gemisch aus Kraftstoff, teiloxidierte Kohlenwasserstoffe, Formaldehyd und Wasserstoffperoxyd sein. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Zwischenprodukte ist die so genannte kalte Flamme oder kalte Verbrennung. Dieser chemische Prozess tritt in einem Temperaturbereich zwischen 700 K und 1000 K auf.
Unter Brennraum wird hier der Raum verstanden, der das Hubvolumen und das Kompressionsvolumen umfasst, wobei die Volumina von einer Zyliπder- kopfinnenseite, einem Kolbenboden sowie einem Zylinder gebildet werden.
Fig. 2 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erfindungsgemäß betriebene 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine in einer zweiten Betriebsart. Der grundsätzliche Viertakt-Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine ent- spricht dem in Fig. 1 dargestellten. Im Unterschied zur ersten Betriebsart wird bei der zweiten Betriebsart der erste Kraftstoff schon in der LOT-Phase (h) in den Brennraum eingebracht. Nahe dem LOT werden auch bei dieser zweiten Betriebsart die Temperaturen von 700 K - 1000 K im Brennraum erreicht. In dieser zweiten Betriebsart liegen die Zwischenprodukte in der anschließenden Kompressionsphase (b) besonders homogen im Brennraum vor.
Erfindungsgemäß wird auch bei dieser zweiten Betriebsart vor dem ZOT weiterer Kraftstoff während der Kompression in den Brennraum eingespritzt (x), so dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte, die während der LOT-Phase (h) gebildet worden sind (Aktivierung), unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte von der Hauptmenge des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs gebildet werden, bjs eine kontrollierte (Fremd- oder Selbst-) Zündung des.Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt (c).
Neben einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine kann beispielsweise auch eine 6-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine erfindungsgemäß betrieben werden.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm Simulationsergebnisse zum Einfluss der kontinuierlichen Zugabe von Kraftstoff auf den Verbrennungsbeginn. Über die Y- Achse ist zum einen die Temperatur in Kelvin und zum anderen das Luft- /Kraftstoffverhältnis aufgetragen, über die X-Achse die Zeit in Millisekunden. Während der ersten Temperaturerhöhung auf ca. 900 K werden die Zwischenprodukte gebildet. Diese neigen zu einer schnellen zweiten Umsetzung (Hauptverbrennung), aber durch eine weitere Zugabe von Kraftstoff kann der Verbrennungsbeginn hinausgezögert werden. Solange Kraftstoff zugegeben wird, wird die Hauptumsetzung (Temperaturanstieg auf über 2500 K) unterdrückt. Bevorzugt werden die Zwischenprodukte gemäß dem zweiten Brennverfahren während der Ladungswechsel-OT-Phase durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile gebildet. Weiter wird die Hauptmenge des Kraftstoffs bevorzugt während des Einbringens von Frischgas in den Brennraum eingespritzt oder eingeblasen. In einer ersten Variante kann die Zündung des Gemisches im Brennraum durch eine Fremdzündung erfolgen, beispielsweise mit einer Zündeinrichtung, wie einer Zündkerze. In einer weiten Variante kann die Zündung des Gemisches durch Stoppen der Einspritzung der Hauptmenge des Kraftstoffs erfolgen. Um die Abgasemissionen noch weiter zu senken kann in vorteilhafter Weise das Frischgas zumindest teilweise mit Abgas gemischt werden. Weiter erlaubt das erfindungsgemäße Brennverfahren mageren Motorenbetrieb, was bedeutet, dass das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem Sauerstoffüberschuss gebildet wird.
Bekannt ist, dass zur Erhöhung der Zündwilligkeit ein Gemisch vorkonditioniert (z. B. durch Druck, Temperatur, Gemischzusammensetzung) wird. Dies erhöht in gewünschter Weise die Selbstzündungsneigung und dadurch kommt es zu entsprechenden Kettenreaktionen, welche die Verbrennung einleiten. Dies geschieht aber bei den bekannten Brennverfahren, wie HCCI oder Schichtladebrennverfahren in unkontrollierter Weise und damit ergeben sich Grenzen bei der Erhöhung der Zündfähigkeit. Zwischenzeitlich konnte numerisch nachgewiesen werden, dass diese unkontrollierte Kettenreaktion (Selbstzündung) durch Gegenwart von Kraftstoffmolekülen gezielt unterdrückt und so die Verbrennung hinausgezögert und deren Beginn kontrolliert und gesteuert werden kann. Ziel des erfindungsgemäßen Brennverfahrens ist es, die Verbrennung solange durch kontinuierliche Zugabe von Kraftstoff herauszuzögern („Nachfüttern" von Kraftstoff), bis der gewünschte Zündzeitpunkt erreicht ist. Danach kann die Verbrennung kontrolliert einsetzen (durch Fremdzündung oder Selbstzündung), die dann sehr schnell abläuft und das NOx-Niveau aufgrund der sehr schnellen und späten Reaktion niedrig bleibt. Parallel hierzu kann als Folge der hohen Zündwilligkeit des Gemisches die Verbrennung sehr mager ablaufen, welches die Verbrennungstemperaturen erheblich senkt. Dass so ein Verbrennungsablauf zu sehr niedrigen NOx- Emissionen führt, belegen Ergebnisse bei einer Magerverbrennung mit zündwilligen Kraftstoffen, wie Wasserstoff oder Reformergas. Durch das erfindungsgemäße Brennverfahren wird der Zielkonflikt, Kraftstoffverbrauch versus NOx-Emissionen beim Magerbrennverfahren (Otto und Diesel) und damit die Erfüllung zukünftiger Emissionsvorschriften ohne Kraftstoffverbrauchseinbußen gelöst. Weiter handelt es sich um ein weltweit einsetzbares Magerbrennverfahren. Durch das erfindungsgemäße Brennverfahren ergibt sich ein deutlich reduzierter Aufwand sowie reduzierte Kosten für eine Abgasnachbehandlung.

Claims

Brennverfahren für eine Hubkolben-BrennkraftmaschinePatentansprüche
1. Brennverfahren, insbesondere jfür eine Viertakt-Hubkolben- Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, dessen Volumen von einem hubbeweglichen Kolben veränderbar ist und wobei ein Kraftstoff direkt in den Brennraum einbringbar ist, wobei zumindest ein Gaswechsel- einlass- und ein Gaswechselauslassventil für einen Ladungswechsel vorgesehen ist und wobei der Brennraum zu einem oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) und zu einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) ein minimales Volumen aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Einbringen eines Frischgases in einer Ansaugphase in den Brennraum (a);
- Einbringen einer Hauptmenge eines Kraftstoffes (x) in den Brennraum während der Ansaugphase (a) und/oder einer Kompressionsphase (b);
- Komprimieren des Frischgases und des Kraftstoffes in der Kompressionsphase (b);
- Zünden eines im Brennraum gebildeten Gemisches aus Frischgas und Kraftstoff (c);
- Expandieren und Ausschieben eines durch eine Verbrennung gebildeten Abgases in einer Expansionsphase (d); gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritte:
- Einbringen einer Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffes (x);
- Bilden von Zwischenprodukten der Pilotmenge des Kraftstoffes (f);
- Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffs (x) während der Kompressionsphase (b) derart, dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte gebildet werden, bis eine kontrollierte Zündung des Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt
(C).
2. Brennverfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach der Expansionsphase (h) in einer LOT-Phase (h) ein Druck- und Temperaturanstieg im Brennraum durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile erzeugt wird.
3. Brennverfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem LOT in den Brennraum eingespritzt wird und das Bilden der Zwischenprodukte (f) in der LOT-Phase (h) erfolgt.
4. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Gemisches durch eine Fremdzündung erfolgt.
5. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Gemisches durch Stoppen der Einspritzung des weiteren Kraftstoffs erfolgt.
6. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas zumindest teilweise mit dem Abgas gemischt wird.
7. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem Sauerstoffüberschuss gebildet wird.
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