WO2019149542A1 - Otto-brennkraftmaschine mit harnstoffeinbringvorrichtung und verfahren zum betrieb einer solchen brennkraftmaschine - Google Patents

Otto-brennkraftmaschine mit harnstoffeinbringvorrichtung und verfahren zum betrieb einer solchen brennkraftmaschine Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine which can be operated according to the Otto principle (Otto internal combustion engine), with a device for introducing an aqueous urea solution into at least one combustion chamber of this internal combustion engine.
  • a device according to the preamble of the first claim is known from DE 10 2013 108 868 A1.
  • an internal combustion engine is an internal combustion engine in reciprocating design for providing drive power to overcome driving resistances in a ground-based motor vehicle, in particular a passenger car to understand.
  • a so-called gasoline or gasoline engine for use in one
  • the gasoline engine has a plurality of such combustion chambers, in particular so-called cylinder on.
  • the fuel is burned while supplying fresh air from the environment.
  • the gasoline engine has a so-called air intake tract.
  • the device for supplying fresh air from the Otto internal combustion engine surrounding environment into the combustion chamber is to be understood by the air intake tract.
  • an air flow preferably results through this air inlet tract toward the at least one combustion chamber, so that the combustion chamber is arranged downstream of this air inlet tract with respect to this air flow of the fresh air from the environment.
  • the gasoline engine on an exhaust tract which is set up for discharging exhaust gases from the combustion chamber in the environment surrounding the gasoline engine. Especially when Burning of the fuel in the combustion chamber, resulting from the fuel and the fresh air supplied into the combustion chamber of this exhaust gas, which is discharged through the exhaust gas from the combustion chamber into the surrounding environment of the engine.
  • the gasoline engine has a so-called urea introduction device.
  • a urea introduction device a device for introducing an aqueous urea solution.
  • an aqueous urea solution is to be understood as meaning a liquid, in particular a liquid such as this, which is known under the trade name Adblue.
  • the aqueous urea solution is a liquid which comprises at least substantially as constituents 32.5% urea and 67.5% demineralized water, or preferably consists of these constituents.
  • the urea introduction device has at least one urea injection nozzle.
  • a urea injection nozzle in the context of the invention is understood to mean a device which is intended to deliver the aqueous urea solution from the urea introduction device to the fresh air in a planned manner.
  • the urea injection nozzle is arranged directly in the at least one combustion chamber of the Otto internal combustion engine or more preferably in each of a plurality of combustion chambers of the Otto internal combustion engine or particularly preferably in all combustion chambers of the Otto internal combustion engine at least one urea injection nozzle is arranged. Further preferably, the urea injection nozzle or a plurality of urea injection nozzles with respect to the flow direction of the fresh air from the environment surrounding the gasoline engine in the at least one combustion chamber disposed upstream of the combustion chamber.
  • the urea injection nozzle by means of such an arrangement of the urea injection nozzle, it is possible to supply the fresh air, preferably all fresh air flowing into the combustion chamber, the aqueous urea solution and, in particular, it is achievable to utilize the total evaporation enthalpy of the aqueous urea solution uniformly.
  • a particularly good cooling of the fresh air can be achieved, and thereby the gasoline engine can be operated particularly reliably.
  • the Otto internal combustion engine is designed in particular as a four-stroke engine and in the operation of these are a suction, a compression, a working and an exhaust stroke available.
  • Such four-stroke engines are known from the prior art.
  • the aforementioned 4 cycles run for the combustion of fuel with fresh air in the order mentioned during the operation of the gasoline engine again and again.
  • the gasoline engine for controlled feeding the fresh air into the combustion chamber and for the controlled discharge of the exhaust gas from the combustion chamber so-called control valves, in particular at least one so-called inlet or at least one so-called exhaust valve.
  • control valves in particular at least one so-called inlet or at least one so-called exhaust valve.
  • the at least one intake valve is open and the at least one exhaust valve is closed. It may happen at the beginning or at the end of the intake stroke that both the at least one inlet valve and the at least one outlet valve are open at the same time open, this phenomenon is known as so-called valve overlap.
  • the invention is preferably directed to introducing aqueous urea solution into the air inlet tract or directly into the combustion chamber by means of the urea injection nozzle when the inlet valve is open and more preferably when the outlet valve is closed.
  • a good mixing of the fresh air with the aqueous urea solution can be achieved and so a particularly reliable operation of the gasoline engine is achievable.
  • Figure 1 a cross section through an Otto internal combustion engine.
  • the Otto internal combustion engine 1 has a combustion chamber 2.
  • fuel is burned together with fresh air, thereby producing exhaust gas.
  • the fresh air flows through the inlet tract 3 in the direction 10 into the combustion chamber 2 and leaves it through the outlet tract 4.
  • the urea injection nozzle is arranged directly in the combustion chamber, so that the urea injection nozzle is in any case directly in the combustion chamber or, based on the flow of fresh air 10 in the inlet tract upstream of the combustion chamber.
  • the gasoline engine 1 has at least one inlet valve 5 and at least one outlet valve 6 per combustion chamber 2.
  • the inlet valve 5 is shown in the open state and the outlet valve 6 in the closed state, the piston 15 moves in the direction 12 and it is sucked fresh air 1 1 via the inlet valve 5 into the combustion chamber 2.
  • the piston 15 is coupled via the connecting rod 8 with the crankshaft 9 and the crankshaft 9 rotates in the direction of rotation 13 about the axis of rotation 14.
  • About the urea injection nozzle 7 is introduced from the urea introduction device aqueous urea solution 16 in the fresh air.

Abstract

Otto-Brennkraftmaschine (1) mit einem Lufteinlasstrakt (3) zum Zuführen von Frischluft (11) zu wenigstens einer Brennkammer (2) dieser Otto- Brennkraftmaschine (1) und mit einem Abgastrakt (4) zum Abführen von Abgasen aus dieser wenigstens einen Brennkammer (2) und mit einer Harnstoffeinbringvorrichtung mit einer Harnstoffeinspritzdüse (7) zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung (16) in die Brennkammer (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Harnstoffeinspritzdüse (7) in der Brennkammer (2) oder stromaufwärts zur Brennkammer (2), bezogen auf eine Luftströmung (10) vom Lufteinlasstrakt (3) in diese Brennkammer (2), angeordnet ist.

Description

Otto-Brennkraftmaschine mit Harnstoffeinbringvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche nach dem Ottoprinzip betreibbar ist (Otto-Brennkraftmaschine), mit einer Vorrichtung zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in wenigstens einen Brennraum dieser Brennkraftmaschine. Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs ist aus der DE 10 2013 108 868 A1 bekannt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt bei Brennkraftmaschinen, welche nach dem Dieselprinzip arbeiten, eine wässrige Harnstofflösung in das Abgas zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes Einzubringen. Eine solche wässrige Harnstofflösung ist an Tankstellen und im Fachhandel unter dem Handelsnamen Adblue bekannt und erhältlich. Weiter ist es bekannt, bei Brennkraftmaschinen, welche nach dem Ottoprinzip arbeiten, insbesondere zur Leistungssteigerung Wasser in den Brennraum einzubringen, sogenannte Wassereinspritzung. Zur Wassereinspritzung findet entkalktes, reines Wasser Verwendung. Wird die Wassereinspritzung mit nicht dafür vorgesehenem Wasser betrieben, insbesondere mit Leitungswasser, so kann die Brennkraftmaschine Schaden nehmen ausfallen oder nur noch mit verringerter Leistung betrieben werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Otto-Brennkraftmaschine mit verbesserter Betriebssicherheit anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem ersten Patentanspruch sowie durch ein Vorrichtung, welche mit dem Verfahren nach Patentanspruch 2 betrieben wird gelöst.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Otto-Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschine in Hubkolbenbauweise zum Bereitstellen von Antriebsleistung zum Überwinden von Fahrwiderständen in einem bodengebundenen Kraftfahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen, zu verstehen. Vorzugsweise ist unter einer Otto-Brennkraftmaschine ein sogenannter Benzin- oder Ottomotor zur Verwendung in einem
Personenkraftwagen zu verstehen. Derartige Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen zum Verbrennen
von Kraftstoff eine sogenannte Brennkammer auf.
Vorzugsweise weist die Otto-Brennkraftmaschine eine Vielzahl derartiger Brennkammern, insbesondere sogenannter Zylinder, auf. In dieser wenigstens einen Brennkammer der Otto-Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff unter Zuführung von Frischluft aus der Umgebung verbrannt. Zum Zuführen der Frischluft aus der die Otto-Brennkraftmaschine umgebenden Umwelt in die wenigstens eine Brennkammer weist die Otto-Brennkraftmaschine einen sogenannten Lufteinlasstrakt auf.
Im Sinne der Erfindung ist unter dem Lufteinlasstrakt die Vorrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Otto-Brennkraftmaschine umgebenden Umwelt in die Brennkammer zu verstehen. Vorzugsweise ergibt sich im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Luftströmung durch diesen Lufteinlasstrakt hin zu der wenigstens einen Brennkammer, so dass die Brennkammer bezogen auf diese Luftströmung der Frischluft aus der Umgebung stromabwärts zu diesem Lufteinlasstrakt angeordnet ist.
Weiter weist die Otto-Brennkraftmaschine einen Abgastrakt auf, welcher zum Abführen von Abgasen aus der Brennkammer in die die Otto- Brennkraftmaschine umgebende Umwelt eingerichtet ist. Insbesondere beim Verbrennen des Kraftstoffs in der Brennkammer, entsteht aus dem Kraftstoff und der in die Brennkammer zugeführten Frischluft dieses Abgas, welches durch den Abgastrakt aus der Brennkammer in die die Brennkraftmaschine umgebende Umwelt abführbar ist.
Weiter weist die Otto-Brennkraftmaschine eine sogenannte Harnstoffeinbringvorrichtung auf. Im Sinne der Erfindung ist unter dieser Harnstoffeinbringvorrichtung eine Vorrichtung zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung zu verstehen. Im Sinne der Erfindung ist unter einer wässrigen Harnstofflösung eine Flüssigkeit, insbesondere eine Flüssigkeit wie diese unter dem Handelsnamen Adblue bekannt ist, zu verstehen. Vorzugsweise ist die wässrige Harnstofflösung eine Flüssigkeit, welche wenigstens im Wesentlichen als Bestandteile 32,5 % Harnstoff und 67,5 % demineralisiertes Wasser aufweist oder vorzugsweise aus diesen Bestandteilen besteht.
Zum Einbringen dieser wässrigen Harnstofflösung, insbesondere in die der Brennkammer zugeführte bzw. die der Brennkammer zu zuführende Frischluft, weist die Harnstoffeinbringvorrichtung wenigstens eine Harnstoffeinspritzdüse auf. Insbesondere ist unter einer solchen Harnstoffeinspritzdüse im Sinne der Erfindung eine Einrichtung zu verstehen, die dazu vorgesehen ist, die wässrige Harnstofflösung aus der Harnstoffeinbringvorrichtung planmäßig in die Frischluft abzugeben.
Vorzugsweise ist die Harnstoffeinspritzdüse unmittelbar in der wenigstens einen Brennkammer der Otto-Brennkraftmaschine angeordnet oder weiter vorzugsweise ist in einer Vielzahl von Brennkammern der Otto- Brennkraftmaschine oder besonders bevorzugt ist in allen Brennkammern der Otto-Brennkraftmaschine jeweils mindestens eine Harnstoffeinspritzdüse angeordnet. Weiter vorzugsweise ist die Harnstoffeinspritzdüse oder eine Vielzahl von Harnstoffeinspritzdüsen bezogen auf die Strömungsrichtung der Frischluft aus der die Otto-Brennkraftmaschine umgebenden Umwelt in die wenigstens eine Brennkammer stromaufwärts zu der Brennkammer angeordnet.
Insbesondere mittels einer derartigen Anordnung der Harnstoffeinspritzdüse ist es ermöglicht, der Frischluft, vorzugsweise sämtlicher in die Brennkammer strömender Frischluft, die wässrige Harnstofflösung zuzuführen und insbesondere dadurch ist es erreichbar, die gesamte Verdunstungsenthalpie der wässrigen Harnstofflösung gleichmäßig auszunützen. Insbesondere durch die Ausnutzung der vollständigen Verdunstungsenthalpie der wässrigen Harnstofflösung ist eine besonders gute Kühlung der Frischluft erreichbar und dadurch ist die Otto-Brennkraftmaschine besonders betriebssicher betreibbar.
Weiter ist ein Verfahren zum Betrieb der zuvor genannten Otto- Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Otto-Brennkraftmaschine ist insbesondere als Viertaktmotor ausgebildet und beim Betrieb dieser sind ein Ansaug-, ein Verdichtungs-, ein Arbeits- und ein Ausstoßtakt vorhanden. Derartige Viertaktmotoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die zuvor genannten 4 Takte laufen zur Verbrennung von Kraftstoff mit Frischluft in der genannten Reihenfolge während des Betriebs der Otto-Brennkraftmaschine immer wieder ab.
Vorzugsweise weist die Otto-Brennkraftmaschine zum gesteuerten zuführen der Frischluft in die Brennkammer und zum gesteuerten Abführen des Abgases aus der Brennkammer sogenannte Steuerventile, insbesondere wenigstens ein sogenanntes Einlass- bzw. wenigstens ein sogenanntes Auslassventil auf. Insbesondere während des Ansaugtakts ist das wenigstens eine Einlassventil geöffnet und das wenigstens eine Auslassventil ist geschlossen. Dabei kann es zum Beginn bzw. zum Ende des Ansaugtakts dazu kommen, dass sowohl das wenigstens eine Einlass- und das wenigstens eine Auslassventil geöffnet gleichzeitig geöffnet sind, dieses Phänomen ist als sogenannte Ventilüberschneidung bekannt. Vorzugsweise ist die Erfindung darauf gerichtet, dass bei geöffneten Einlassventil und weiter vorzugsweise bei geschlossenem Auslassventil wässrige Harnstofflösung mittels der Harnstoffeinspritzdüse in den Lufteinlasstrakt bzw. unmittelbar in die Brennkammer eingebracht wird. Insbesondere mittels eines derartigen Verfahrens kann eine gute Durchmischung der Frischluft mit der wässrigen Harnstofflösung erreicht werden und so ist ein besonders betriebssicherer Betrieb der Otto- Brennkraftmaschine erreichbar.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand einer, wenigstens teilweise schematisierten, Figur näher erläutert, dabei zeigt:
Figur 1 : einen Querschnitt durch eine Otto-Brennkraftmaschine.
Die Otto-Brennkraftmaschine 1 weist eine Brennkammer 2 auf. In der Brennkammer 2 wird Kraftstoff gemeinsam mit Frischluft verbrannt, dabei entsteht Abgas. Die Frischluft strömt durch den Einlasstrakt 3 in Richtung 10 in die Brennkammer 2 und verlässt diese durch den Auslasstrakt 4.
In einer nicht dargestellten Alternative ist die Harnstoffeinspritzdüse unmittelbar in der Brennkammer angeordnet, damit ist die Harnstoffeinspritzdüse in jedem Fall unmittelbar in der Brennkammer oder, bezogen auf die Strömung der Frischluft 10 im Einlasstrakt stromaufwärts zur Brennkammer angeordnet.
Zur Steuerung dieser Strömungen (Frischluft, Abgas), sogenannter Ladungswechsel, weist die Otto-Brennkraftmaschine 1 wenigstens ein Einlassventil 5 und wenigstens ein Auslassventil 6 pro Brennkammer 2 auf.
Das Einlassventil 5 ist in geöffnetem Zustand und das Auslassventil 6 in geschlossenem Zustand dargestellt, der Kolben 15 bewegt sich in Richtung 12 und es wird Frischluft 1 1 über das Einlassventil 5 in die Brennkammer 2 eingesaugt. Der Kolben 15 ist über das Pleuel 8 mit der Kurbelwelle 9 gekoppelt und die Kurbelwelle 9 dreht sich in Drehrichtung 13 um die Rotationsachse 14. Über die Harnstoffeinspritzdüse 7 wird von der Harnstoffeinbringvorrichtung wässrige Harnstofflösung 16 in die Frischluft eingebracht.
Im Falle einer Otto-Brennkraftmaschine mit Aufladung, insbesondere mit Turboaufladung, wird bei der dargestellten Anordnung der Harnstoffeinspritzdüse 7 im Einlasstrakt 3 die in die Brennkammer eingebracht Frischluft bereits im Einlasstrakt 3 durch die Verdunstung der wässrigen Harnstofflösung gekühlt.
Bezugszeichenliste:
Figure imgf000009_0001

Claims

Patentansprüche
1. Otto-Brennkraftmaschine (1 ) mit einem Lufteinlasstrakt (3) zum Zuführen von Frischluft (1 1 ) zu wenigstens einer Brennkammer (2) dieser Otto- Brennkraftmaschine (1 ) und mit einem Abgastrakt (4) zum Abführen von Abgasen aus dieser wenigstens einen Brennkammer (2) und
mit einer Harnstoffeinbringvorrichtung mit einer Harnstoffeinspritzdüse (7) zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung (16) in die
Brennkammer (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Harnstoffeinspritzdüse (7) in der Brennkammer (2) oder
stromaufwärts zur Brennkammer (2), bezogen auf eine Luftströmung (10) vom Lufteinlasstrakt (3) in diese Brennkammer (2), angeordnet ist.
2. Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine (1 ) nach
Patentanspruch 1 , wobei die Otto-Brennkraftmaschine (1 ) als
Viertaktmotor mit einem Ansaug-, einem Verdichtungs-, einem Arbeits und einem Ausstoßtakt betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zu mindestens während des Ansaugtakts eine wässrige Harnstofflösung mittels der Harnstoffeinspritzdüse unmittelbar in den Lufteinlasstrakt oder in die wenigstens eine Brennkammer eingebracht wird.
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