WO2007006062A1 - Verfahren zum betreiben einer mit gasförmigem kraftstoff betriebenen brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to methods for operating an engine operated with gaseous fuel, the combustion of the introduced into a main combustion chamber fuel gas / air mixture is initiated by ignition of an ignitable fuel / air mixture in an antechamber at least in an engine operating range, wherein in the pre-chamber generates a fuel / air mixture which burns toward the end of the compression stroke by a self-ignition process of a liquid fuel
  • AT 006,290 U1 discloses a method for operating an internal combustion engine operated with gaseous fuel, the combustion of the fuel gas / air mixture introduced into a main combustion chamber being initiated by ignition of an ignitable fuel / air mixture in an antechamber, at least in one engine operating region.
  • a homogeneous fuel / air mixture is generated and the homogeneous fuel / air mixture contained in the pre-chamber spontaneously and homogeneously burned by the auto-ignition towards the end of the compression stroke.
  • emissions can be kept as low as possible and high efficiency can be achieved.
  • Combustion processes with prechamber are used, inter alia, in lean (that is, with a high air / fuel ratio) gas engines from a certain cylinder stroke volume.
  • lean that is, with a high air / fuel ratio
  • the advantage of a combustion introduction in the pre-chamber instead of directly in the main combustion chamber is that even with high air / fuel ratios low ignition energies are sufficient to ensure an efficient, yet low-emission combustion of the entire cylinder charge.
  • the fuel gas / air mixture flows during the compression stroke from the main combustion chamber in the antechamber, so that in this a combustible mixture is available.
  • conventionally electrical ignition systems or Zündstrahlvon be applied for ignition of the fuel gas / air mixture.
  • pure fuel gas or fuel gas / air mixture is often additionally introduced into the pre-chamber in order to have a much richer and thus more ignitable mixture at the place of incineration in comparison to the main combustion chamber.
  • the electrical ignition systems the combustion introduction by a flashover of a spark between the electrodes of a spark plug takes place, in the Zündstrahlmaschine a small amount of liquid fuel is injected under high pressure in the antechamber. This ignites itself at sufficiently high compression temperatures themselves and initialized as a result, the combustion of the fuel gas / air mixture.
  • the fuel gas / air mixture located in the main combustion chamber is ignited by flaming torches flowing out of the prechamber.
  • the object of the invention is to achieve a further increase in the efficiency and a reduction in emissions.
  • this is achieved by injecting liquid fuel into the pre-chamber several times during a working cycle.
  • a first injection at the beginning of the compression stroke preferably in a range between 180 ° before the top dead center of the ignition until just before the actual ignition takes place, preferably at least a second injection in the second half of the compression stroke, preferably in a range between 30 ° before top dead center to top dead center.
  • the amount of fuel of the first injection may be greater than the amount of fuel in the second injection.
  • the second fuel injection in the region of the top dead center of the ignition is the actual ignition, with a very small amount of fuel sufficient for ignition.
  • the figure shows schematically a cylinder 1 with a reciprocating piston 2 of an internal combustion engine operated with gaseous fuel.
  • the fuel gas / air mixture flows through the inlet channel 3 with the inlet valve 4 open in the main combustion chamber 5 and is subsequently pushed into the prechamber during the compression process.
  • fuel is repeatedly injected via the injection device, wherein a first injection of the fuel at the beginning of the compression stroke, in a range between 180 ° crank angle before the top dead center of the ignition and immediately before the actual ignition takes place. This early fuel injection causes a largely homogeneous fuel / air mixture to be formed in the pre-chamber 6.
  • the actual ignition is effected by a second injection of the fuel via the injection device 7 in the region of the top dead center of the ignition, wherein the amount of the second fuel injection is only very small.
  • the emissions due to the second injection can be kept as small as possible.
  • the pre-chamber 6 is fluidly connected to the main combustion chamber 5 via one or more holes 8. Due to the second fuel injection, the homogeneous fuel / air mixture located in the pre-chamber 6 is ignited toward the end of the compression, ie shortly before the piston 2 reaches the top dead center of the ignition, the entire mixture in the prechamber 6 being burned. In order to be able to reliably initiate this auto-ignition process, heating of the walls of the pre-chamber 6 by a heating device 9 and / or thermal insulation may be provided. As a starting aid, an ignition and glow plug 10 may optionally be used during starting, which is mounted in the prechamber 6 or in the main combustion chamber 5.
  • the particularly rapid combustion in the pre-chamber 6 leads to a strong increase in pressure and very high-energy flame torches with an extremely high pulse, which ignite the air / fuel gas mixture in the main combustion chamber 5 subsequently.
  • the combustion in the main combustion chamber 5, like the combustion in the prechamber 6, is characterized by the passage of a flame front.
  • the method described is characterized by both the smallest emissions (especially with regard to NO x and particles) and by very high efficiencies.
  • the low emissions result from the fact that the inhomogeneous diesel content is reduced and NO x and particles are formed only in very small amounts, and in the main combustion chamber 5 these pollutants can also be kept small by a sufficiently large air ratio.
  • rapid combustion with high efficiency is ensured by this high-energy, overflowing from the prechamber 6 in the main combustion chamber 5 flame torches.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum (5) eingebrachten Brenngas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer (6) eingeleitet wird, wobei in der Vorkammer ein Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird, welches gegen Ende des Kompressionstaktes durch einen Selbstzündungsvorgang eines flüssigen Kraftstoffes verbrennt. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Emissionen zu reduzieren, ist vorgesehen, dass während eines Arbeitszyklus mehrmals flüssiger Kraftstoff in die Vorkammer (6) eingespritzt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum eingebrachten Brenngas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer eingeleitet wird, wobei in der Vorkammer ein Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird, welches gegen Ende des Kompressionstaktes durch einen Selbstzündungsvorgang eines flüssigen Kraftstoffes verbrennt
Aus der AT 006.290 Ul ist ein Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine bekannt, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum eingebrachten Brenngas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer eingeleitet wird. In der Vorkammer wird ein homogenes Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt und das in der Vorkammer enthaltene homogene Kraftstoff/Luftgemisch gegen Ende des Kompressionstaktes spontan und homogen durch einen Selbstzündungsvorgang verbrannt. Dadurch können Emissionen möglichst gering gehalten werden und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
Brennverfahren mit Vorkammer kommen unter Anderem in mager (das heißt mit hohem Luft/Kraftstoffverhältnis) betriebenen Gasmotoren ab einem gewissen Zylinderhubvolumen zur Anwendung. Der Vorteil einer Verbrennungseinleitung in der Vorkammer statt direkt im Hauptbrennraum ist, dass auch bei hohen Luft/ Kraftstoffverhältnissen geringe Zündenergien ausreichen, um eine effiziente und dennoch schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderladung sicherzustellen.
Das Brenngas/Luftgemisch strömt dabei während des Verdichtungstaktes aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer, so dass in dieser ein brennbares Gemisch zur Verfügung steht. Zur Entflammung des Brenngas/Luftgemisches werden herkömmlicherweise elektrische Zündsysteme oder Zündstrahlverfahren angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich reines Brenngas oder Brenngas/Luftgemisch in die Vorkammer eingebracht, um am Ort der Verbrennungseinleitung ein im Vergleich zum Hauptbrennraum deutlich fetteres und somit zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben. Während bei den elektrischen Zündsystemen die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze erfolgt, wird bei dem Zündstrahlverfahren eine kleine Menge flüssigen Brennstoffes unter hohem Druck in die Vorkammer eingespritzt. Dieser entzündet sich bei ausreichend hohen Verdichtungstemperaturen selbst und initialisiert in weiterer Folge die Verbrennung des Brenngas/Luftgemisches.
Das im Hauptbrennraum befindliche Brenngas/Luftgemisch wird durch aus der Vorkammer strömende Flammenfackeln entflammt.
Aus der DE 44 19 429 Al ist ein Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverdichtenden, aufgeladenen Gasmotors bekannt, bei dem zum Betrieb in die Vorkammer hochverdichteter, gasförmiger Brennstoff eingeblasen und dort zur Entzündung gebracht wird. Die Einblasung erfolgt dabei unter einem Druck von etwa 250 bis 300 bar. Dies erfordert relativ aufwendige Einblasesysteme. Die hohe Verdichtung des Brennstoffes bedeutet einen zusätzlichen Arbeitsaufwand und damit auch einen zusätzlichen Wirkungsgradverlust,
Der Nachteil von elektrisch- und zündstrahlgezündeten Verfahren ist, dass in der Vorkammer verstärkt Stickoxide und unter Umständen auch beträchtliche Partikelmengen entstehen, die zu entsprechend hohen motorischen Emissionen dieser Schadstoffe führen. Hinsichtlich dieser Emissionen optimierte Konzepte weisen wiederum den Nachteil auf, dass die Energie der aus der Vorkammer ausströmenden Flammenfackeln gering ist und somit die Verbrennung im Hauptbrennraum langsam und mit einem schlechten Wirkungsgrad abläuft. Im Besonderen haben die elektrisch gezündeten Konzepte den weiteren erheblichen Nachteil einer begrenzten Lebensdauer der Zündkerze.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades und eine Verringerung der Emissionen zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass während eines Arbeitszyklus mehrmals flüssiger Kraftstoff in die Vorkammer eingespritzt wird. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest eine erste Einspritzung zu Beginn des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 180° vor dem oberen Totpunkt der Zündung bis unmittelbar vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt erfolgt, wobei vorzugsweise zumindest eine zweite Einspritzung in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30° vor dem oberen Totpunkt bis zum oberen Totpunkt erfolgt.
Die Menge des Kraftstoffes der ersten Einspritzung kann dabei größer als die Menge des Kraftstoffes bei der zweiten Einspritzung sein.
Dadurch, dass die erste Einspritzung in einer frühen Phase des Verdichtungstaktes erfolgt, wird eine weitegehende Homogenisierung des Kraftstoff/Luftge- misches in der Vorkammer erzielt. Die zweite Kraftstoffeinspritzung im Bereich des oberen Totpunktes der Zündung dient der eigentlichen Zündung, wobei zur Zündung eine sehr kleine Menge Kraftstoff ausreicht.
Durch die Mehrfacheinspritzung und die geringe zweite Einspritzmenge sind im Zündungszeitpunkt nur wenige inhomogene Gemischanteile in der Vorkammer vorhanden, wodurch der Kraftstoff in der Vorkammer sehr schnell und schadstoffarm verbrennen kann. Dies wirkt sich einerseits vorteilhaft auf die Partikel- und NOχ-Emissionen aus und bewirkt andererseits, dass mehr Energie in der Vorkammer für eine schnellere Verbrennung im Hauptbrennraum zur Verfügung steht. In Folge höherer Mitteldrücke können höhere Wirkungsgrade erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch einen Zylinder 1 mit einen hin- und hergehenden Kolben 2 einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine. Das Brenngas/Luftgemisch strömt über den Einlasskanal 3 bei geöffnetem Einlassventil 4 in den Hauptbrennraum 5 und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges in die Vorkammer geschoben. In die Vorkammer wird über die Einspritzvorrichtung 7 Kraftstoff mehrmalig eingespritzt, wobei eine erste Einspritzung des Kraftstoffes zu Beginn des Kompressionstaktes, in einem Bereich zwischen 180° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zündung und bis unmittelbar vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt erfolgt. Diese frühe Kraftstoffeinspritzung bewirkt, dass in der Vorkammer 6 ein weitgehend homogenes Kraftstoff/Luftgemisch gebildet wird. Die eigentliche Zündung erfolgt durch eine zweite Einspritzung des Kraftstoffes über die Einspritzeinrichtung 7 im Bereich des oberen Totpunktes der Zündung, wobei die Menge der zweiten Kraftstoffeinspritzung nur sehr gering ist. Dadurch lassen sich die Emissionen zu Folge der zweiten Einspritzung möglichst klein halten. Bei sehr hohen Brennraumtemperaturen kann es aber auch vorteilhaft sein, die Menge der ersten Kraftstoffeinspritzung im Vergleich zur zweiten Einspritzung klein zu halten, um eine zu frühe Entzündung zu vermeiden.
Die Vorkammer 6 ist mit dem Hauptbrennraum 5 über eine oder mehrere Bohrungen 8 strömungsverbunden. Durch die zweite Kraftstoffeinspritzung wird das in der Vorkammer 6 befindliche homogene Kraftstoff/Luftgemisch gegen Ende der Verdichtung, also kurz bevor der Kolben 2 den oberen Totpunkt der Zündung erreicht, entzündet, wobei das gesamte Gemisch in der Vorkammer 6 verbrennt. Um diesen Selbstzündungsvorgang verlässlich einleiten zu können, kann eine Beheizung der Wände der Vorkammer 6 durch eine Heizeinrichtung 9 und/oder eine Wärmeisolierung vorgesehen sein. Als Zündhilfe kann beim Startvorgang gegebenenfalls eine Zünd- und Glühkerze 10 verwendet werden, welche in der Vorkammer 6 oder im Hauptbrennraum 5 angebracht ist.
Die besonders rasche Verbrennung in der Vorkammer 6 führt zu einem starken Druckanstieg und zu sehr energiereichen Flammenfackeln mit einem äußerst hohen Impuls, die in weiterer Folge das Luft/Brenngasgemisch im Hauptbrennraum 5 entzünden. Die Verbrennung im Hauptbrennraum 5 ist wie die Verbrennung in der Vorkammer 6 durch den Lauf einer Flammenfront charakterisiert.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich sowohl durch kleinste Emissionen (vor allem hinsichtlich NOx und Partikel) als auch durch sehr hohe Wirkungsgrade aus. Die geringen Emissionen ergeben sich dadurch, dass der inhomogene Dieselanteil reduziert ist und NOx und Partikel nur in geringsten Mengen gebildet werden, wobei im Hauptbrennraum 5 diese Schadstoffe durch ein ausreichend großes Luftverhältnis ebenfalls klein gehalten werden können. Trotz des hohen Luftverhältnisses im Hauptbrennraum 5 ist durch diese energiereichen, von der Vorkammer 6 in den Hauptbrennraum 5 überströmenden Flammenfackeln eine rasche Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad sichergestellt.
Somit können höchste Wirkungsgrade bei gleichzeitig minimalen NOx- und Partikelemissionen ermöglicht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum (5) eingebrachten Brenngas/ Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer (6) eingeleitet wird, wobei in der Vorkammer ein Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird, welches gegen Ende des Kompressionstaktes durch einen Selbstzündungsvorgang eines flüssigen Kraftstoffes verbrennt, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Arbeitszyklus mehrmals flüssiger Kraftstoff in die Vorkammer (6) eingespritzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Einspritzung zu Beginn des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 180° vor dem oberen Totpunkt der Zündung bis unmittelbar vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Einspritzung in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30° vor dem oberen Totpunkt bis zum oberen Totpunkt erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffmenge einer ersten Einspritzung größer ist als die Kraftstoffmenge einer zweiten Einspritzung.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Einspritzung in der Vorkammer (6) ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird.
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