DE2017153A1 - Verfahren zum Betneb von Ver brermungskraftmaschinen mit Kraftstoffen beliebiger Siedelage durch kraftstoffseitig wahrend des Betriebes regulierte Selbst zündung der Gasladung mit Hilfe der Zugabe eines Zundungsauslosers im Ladungshub durch Saugrohr Einspritzung - Google Patents

Description

Verfahret .zum Betrieb, von .Verbrennungskr.aftmaschinen mit Kraftstoffen .beliebiger .Siedelage durch kr.aftstoffseitig während des. Betriebes regulierte Selbstzündung der Gasladung mit Hilfe der Zugabe, eines Zündung saus lös er s im ■ Ladungshub durch Saugrohr-Einspr.itzüng.

Dieselkraftstoff und Benzin sind als. Betriebsmittel der nach dem Diesel- beziehungsweise nach dem .. j

Otto-Verfahren arbeitenden Verbrennungskraftmaschinen bekannt.

Zur Gewährleistung der einwandfreien Anwendbarkeit dieser .Verfahren musste jeder dieser, beiden Kraftstoffe, insbesondere bezüglich Siedelage und Brennverhalten, auf deren Arbeitsweise, das heisst auf die Art der Gemischbildung, Gemischaufbereitung, Zündung und Verbrennung zugeschnitten werden.

Wie schon der Name sagt, findet· zur Durchführung des Diesel-Verfahrens daher ausschliesslich Dieselkraftstoff ' Verwendung, wogegen die Eigenschaften des Benzins nur dem Betrieb von Otto-Motoren genügen.

Diese verfahrenbezogene, ausschliessliche Verwendbarkeit der beiden genannten Kraftstoffe ist die Folge der sehr unterschiedlichen motorischen Verfahrensweise im Otto- und im Diesel-Motor.

Während im Otto-Motor die Zündung der Zylinderladung '■ durch Fremdzündung verursacht wird, leitet im Diesel-Motor eine Selbstzündung die Verbrennung ein.

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Die Fremdzündung bedeutet hierbei die Bereitstellung, einer ortsgebundenen Zündungsenergie (Zündkerze), wogegen Selbstzündung, im Diesel-Motor durch das Anheben des gesamten Energieniveaus der Gasladung während des Verdichtungshubes erfolgt.

Die Gemischbildung der Otto-Ladungbeginntbei Verwendung: eines Vergasers mit dem Ansaughub, während Dieselkraftstoff gegen Ende des Kompressionshubes mit Hilfe einer Einspritzpumpe und -düse in die verdichtete Ladeluft eingebracht wird.

Ottο-Ladungen, das heisst nach dem Otto-Verfahren während des Ladungshubes durch Saugrohr-Einspritzung oder mit Hilfe eines Vergasers erzeugte Benzin-Luft-Gemische, sind in ihrer Zusammensetzung nahezu homogen, wogegen Diesel-Ladungen durch die bemessene Zeit der Gemischbildung und die Art der Kraftstoff zugabe des" Diesel-Verfahrens nur als heterogene Gemische erhalten werden.

Diese für beide Verfahren charakteristische Bildung der Kraftstoff-Luft-Gemische erfordert ebenso bestimmte chemisch-physikalische Eigenschaften des eingesetzten Kraftstoffes, wie sie auch zur Sicherstellung der Einzelablaufe sämtlicher sich anschliessender,Vorgänge innerhalb desGesamtverfahrens, das heisst zur Gemischaufbereitung, Zündung und Verbrennung, benötigt werden.

Nachdem eine nahezu einwandfreie Gemischbildung im Otto-Motor insbesondere durch Vermeidung einer Kraft-, stoffkondensierung während des Ladungs- und Kömpressionshubes mit Hilfe der geeigneten, tiefen'Siedelage des Benzins gewährleistet ist, und die Diesel-Motore

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Anforderungen an die Siedelage des Kraftstoffes hauptsächlich nur im Hinblick auf die Dampfblasenbildung im Einspritz-System stellen, müssen weitere, geeignete kraftstoffseitige Massnahmen für eine einwandfreie Gemischaufbereitung getroffen werden.

Da die Aufbereitung der Gasladung durch Verdampfen des Kraftstoffes und durch Zerlegung dessen Moleküle erfolgt, wird insbesondere beim Phasenwechsel, im Otto-Motor bereits im Ladungshub und im Diesel-Motor gegen Ende des Kompressionshubes, Verdampfungswärme verbraucht.

Dies bedeutet die Verminderung der Gemischtemperatur, die sich trotz Herabsetzung der Kompressionsendtemperatur in Otto-Motoren durch einen gesteigerten Liefergrad günstig auf den Arbeitsdruck beziehungsweise die Leistung auswirkt, während der Zündverzug in Diesel-Motoren dagegen durch Verminderung der durch Kompression bereitgestellten Zündungsenergie eine ungünstige Vergr ö s s erüng er f ährt.

Die Verdampfungswärme eines Kraftstoffes muss daher auf das Arbeitsverfahren des Motors abgestimmt sein, da eine Zündung der Gasladung insbesondere in Diesel-Motoren umso eher erfolgt, je geringer der Wärmebedarf zum Phasenwechsel ist, das heisst, je mehr das gleichzeitige Absinken der Gemischtemperatur verhindert werden kann.

Diesen Vorgängen wird durch die Wahl relativ hoher Kompressionsverhältnisse für Diesel-Motore Rechnung getragen, was sich jedoch im Hinblick auf den wechselnden Zündungsenergiebedarf der Betriebszustände bei Teillast und Vollast als weitgehend unzureichend erwies.

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Neben der Art der Gemischbildung und -aufbereitung ' sind die Zündgrenzen als chemisch-physikalische Eigenschaften des Kraftstoffes^ zur Einleitung einer einwandfreien Verbrennung von ausschlaggebender Bedeutung.

Die Lage der Zündgrenzen von Ottο-Ladungen verhindert beispielsweise die Verwendung stark über- und unterstöchiometrischer Gemische, da nur nahezu stöchiometrisehe Otto-Gemische zündfähig sind und da trotz ihrer Homogenität dennoch Gemisehkonzentratiönen bestehen. .

. Dies beweisen die Oszillogramme der in Otto-Motoren * auch bei Verwendung des stöchiometrischen Gemisches auftretenden Spitzendrucke, deren Werte in einem Streuband enthalten sind, dessen Breite direkt von der Güte der motorischen Gemischbildung und -aufbereitung abhängt. ' " .

Diese Erscheinung findet ihre Erklärung in "der ortsgebundenen Lage der Fremdzündung, wo stets zündfähige, das heisst nahezu stöchiome.trisehe Gemische zur einwandfreien Einleitung der Verbrennung bereitgestellt sein müssen. . ■-.."-.

P Unter Berücksichtigung der bereits bei Verwendung des stöchiometrischen Gemisches auftretenden, verhältnismässig schwachen Gemischkonzentrationen, ist. das Absinkender Wahrscheinlichkeit für eine solche Gemischpräsenz in der Umgebung, der Zündkerze bei Verwendung überstöchiometrischer Gemische evident.

Mit zunehmendem Luftuberschuss findet die Fremdzündung daher zunehmend weniger zündfähige Gemische, sodass nach Fehlzündungen schliesslich das völlige Aussetzen

der Zündung und. Verbrennung, erfolgt.

Diese. Undurchfuhrbarke.it der Zündung' überstöchiometrischer Gemische in Otto-Motoren oberhalb etwa ■ der Lüftüberschusszahl 1,3 ist der Grund für deren geringe Wirtschaftlichkeit, denn einer optimalen Leistungsabgabe bei Vollast durch Verbrennung des nahezu stöchiometrischen Gemisches stehen hohe Krafts.toffverbräuehe bei Teillast, dem^;,zeitlich überwiegenden Betriebszustand der Verbrennungsmotore, gegenüber.

Die Leistungsregulierung von Otto-Motoren kann daher nur durch Bemessen der Zugabemenge des annähernd stöchiometrischen Gemisches mit Hilfe des Drosselverfahrens vorgenommen werden, wodurch in erster Linie die Grosse.des Arbeitsdruckes auch bei Teillast nahezu, erhalten bleibt.

Dies erlaubt zwar eine gute Beschleunigung, der Kraftstoffverbrauch ist. in diesem Lastbereich jedoch im übrigen unzweckmässig hoch.

Die auch bei stark überstöchiometrischen Gemischen mit gesteigert sauberer Verbrennung noch immer einwandfrei arbeitenden Diesel-Motore können dagegen durch sinngemässen Verzicht auf hohen Arbeitsdruck im. Teillast-Gebiet mit geringem Kraftstoffverbrauch betrieben werden.

Dies ermöglicht eine kraftstoffseitige Leistungsregulierung durch Bemessen der Kraftstoffzugabemefige, das heisst eine Gemischregulierung durch Verwendung sämtlicher möglicher Luftüberschusszahlen von der Russgrenze bis zu stark überstöchiometrischen Gemischen.

Da Diesel-Ladungen jedoch durch die Art der Gemisch-

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bildung und die. bemessene Zeit zur Gemischaufbereitung nur als heterogene Ge'mische erhalten werden, können am übergang zwischen dem, während des Fördervorganges eintretenden flüssigen Kraftstoff und dessen gekrackte Kraftstoffmoleküle enthaltende Gasphase, nur mit Hilfe von Luftüberschuss· zündfähige Gemische auftreten, Diesel-Motore arbeiten daher nur unter Luftüberschuss mit einwandfreier Verbrennung, sodass Otto-Motore insbesondere bei Vollast gegenüber Diesel-Motoren um etwa zwanzig Prozent mehr Leistungsabgabe besitzen.

Andererseits resultiert hieraus eine .weitgehende Unempfindlichkeit der Diesel-Motore auf die Gemischzusammensetzung, was die oben beschriebenen guten Eigenschaften dieses Motors bei Teillast ermöglicht.

Während nun die Wirtsehäftliehlceit beider Verfahren insbesondere mit zunehmender Verdichtung durch steigende mechanische Verluste und damit fallende mechanische Wirkungsgrade absinkt, trägt der dem Verdichtungsverhältnis proportionale thermische Wirkungsgrad andererseits zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bei. .

Da sich dies ab Verdichtungsverhältnissen oberhalb etwa: 15 jedoch zunehmend weniger auswirkt - die Zunahme des thermischen Wirkungsgrades ist im Bereich höherer Verdichtungsverhältnisse sehr gering - übersteigt das Absinken des mechanischen Wirkungsgrades mit zunehmend hohem Verdichtungsverhältnis den Anstieg des thermischen Wirkungsgrades, Diesel-Motore und insbesondere Vielstoff-Motore mit Verdichtungsverhältnissen von etwa 18 bis 28 sind daher

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nur mit geringem Gesamtwirkungsgrad zu betreiben.

Aus diesen Gründen werden für Motore mit Diesel-Zündung zur Gewinnung optimaler Leistung verhältnismassig niedrige Verdichtungsverhältnisse angestrebt, was bisher an der Unzulänglichkeit, das heisst insbesondere an der geringen Zündwilligkeit der Dieselkraftstoffe scheiterte.

Ursache hierfür ist das Anwachsen des Zündverzuges durch die Bereitstellung zunehmend ungenügender Zündungsenergie mit fallendem Verdichtungsverhältnis .

Da Otto-Motore mit relativ geringen Verdichtungsverhältnissen von etwa 8 arbeiten, erfolgt deren Betrieb zwar mit gutem mechanischem Wirkungsgrad, der Gesamtwirkungsgrad wird jedoch durch niedrigen thermischen Wirkungsgrad und insbesondere durch die Drosselverluste der Leistungsregulierung vermindert.

Darüberhinaus erfolgt weiterer Leistungsabfall bei abnehmendem Ladungsgewicht besonders während des Schliessens der Drosselklappe, da hier einer verringerten Prischgasladung der größere Abgasrest des vorausgegangenen Betriebszustandes während der Überschneidung der Öffnungszeiten des Einlass- und Auslassventils gegenübersteht.

Die Folge ist die Vermischung von Frischgas und Abgas, was auch bei konstantem Betriebszustand in geringerem Ausmass auftritt, sodass die Zündung und Verbrennung unter Gegenwart von Abgas erfolgt. Dies stört den Verbrennungsablauf und vermindert die Leistungsabgabe somit zusätzlich. Der Betrieb von Verbrennungsmotoren mit dem Otto-

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Verfahren ist daher dem Diesel-Verfahren¹ zwar bezüglich Leistungsabgabe überlegen, als optimal . kann er wegen der oben genannten Nachteile des zwangsläufig, verwendeten Drossel-Verfahrens jedoch nicht angesehen werden.

Ein Hochs tleistungs verfahren¹ zum Betrieb, von . Verbrennungsmotoren muss daher die Vorzüge·des Otto- und des Diesel-Verfahrens ohne deren Nachteile in sich vereinigen und damit folgenden Forderungen genügen:
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■ I)". Kraftstoff seit ige Leistungsregulierung durch Bemessen der Kraftstoffzugabemenge mit Hilfe der Gemischregülierung von Zylinderladungen mit weit auseinanderliegenden Zündgrenzen,. /.-; " . ".-■

2) Vermeidung von Drosselverlusten mit Hilfe eines frei saugenden Ladesystems.

3) Verwendung eines Kompressionsverhältnisses um 12* ■ -

4) Einleitung der Verbrennung der Zylinderladung durch Selbstzündung mit Hilfe der stufenlos dosierbaren Zugabe eines Zündungsauslösers zur Bereitstellung der für " : konstante Zündverzüge (Grad Kurbelwinkel) benötigten Zündungsenergie sämtlicher . " Betriebszustände. . · "■"■".:-...

Sollten diese"oben beschriebenen Forderungen an_: die Eigenschaften des -Kraftstoffes und das Arbeitsverfahren

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des Motors, erfüllt werden können, so liegt das seit langem angestrebte Höchstleistungsverfahren zum Betrieb, von .Verbrennung smotor en vor.

Die Durchführung dieses Vorhabens scheiterte bisher an dem ehemisch-physilcalischen und motOrischen Verhalten der Zündbeschleuniger, sowie; insbesondere an der hierfür ausschlaggebenden Durchführbarkeit eines geeigneten Zugabeverfahrens.

Da die Wirksamkeit eines Zündbesehleunigers der Intensität dessen Aufbereitung: ent spricht ,muss das Siedeverhalten dessen Zugabe bereits während des Ladungsnubes ohne Kpndensierung gestatten. Die Aufbereitung des Zündbeschleunigers beziehungsweise Zündungsauslösers zu Zündkernen geringsten Zündungsenergiebedarfs in der Gasladung darf ihn jedoch andererseits nicht zum Detonator werden lassen* der eine klopfende Verbrennung: verursacht..- Dies kann durch Verwendung eines geeigneten, verhältnismässig geringen Verdichtungsverhältnisses, verhindert werden.

Der Zündungsauslöser soll daher ausschliesslich Zündungsenergie an das Kraftstoff-Luft-Gemisch abgeben und somit die völlig unzulängliche motorische Energiebereitstellung derart entscheidend ergänzen, dass insbesondere über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich angemessene Zündverzüge (Grad Kurbelwinkel) erhalten werden, beziehungsweise ein gewählter Zündverzug (Grad Kurbelwinkel) in sämtlichen Betriebszüständen konstant gehalten werden kann.

Es wurde nun gefunden, dass mit Hilfe des beanspruchten Verfahrens alle diese Forderungen erfüllbar sind.

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Unter Verwendung dieser mit dem Namen "W-Verfahren" bezeichneten Methode ist es nunmehr insbesondere möglich, neben hohen Leistungswerten und hoher Wirtschaftlichkeit durch die Gemischregulierung im Teillastgebiet und die Verwendung stöchiometrischer Gemische bei Vollast, sowie durch gesteigerte Liefergrade und geringe mechanische Verluste bei verhältnismässig geringen Verdichtungsverhältnissen, eine weitgehend vollkommene Verbrennung zu erhalten.

Die Bereitstellung der hohen Zündungsenergie des Zündungsauslösers verursacht eine intensive Krackung der Kraftstoffmoleküle, sodass d,em Luft sauer stoff zur Oxydation erheblich verbesserte, und auch bei stark unterstöchiometrischen Gemischen noch ausreichende Angriffsmöglichkeiten geboten werden.

Nachdem die stufenlose Bemessung der Zugabemenge des Zündungsauslösers somit den Einsatz sämtlicher bekannter Kraftstoffe (Vielstoff-Motor) zulässt, ist>die Bedeutung der Octanzahl völlig und diejenige der" Cetanzahl weitgehend geschwunden.

Das bisherige Vorgehen, zündträge Kraftstoffe in Vielstoff-Motoren durch hohe Verdichtungsverhältnisse in Verbindung mit Fremdaufladung (Erhöhung des Kompressionsenddruckes) oder Erhöhung der Ladelufttemperatur zündfreudiger zu machen, erwies sich besonders bei Verwendung extrem'zündunwilliger Kraftstoffe wie Benzine als unzureichend.

Ebenso konnten auch die völlig unzulänglichen Kaltstarteigenschaften dieser Motore bei deren Betrieb mit tiefcetanigen Kraftstoffen bisher nicht zufriedenstellend verbessert werden.

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Das erfindüngsgemasse Verfahren ermöglicht dagegen den Vielstoffbetrieb bereits mit normal- und auch mit niederverdichteten Motoren,.ohne zusätzliche .Aufladung oder Anhebung der Ladelufttemperatur, durch die verhältnismässig einfache Zugabe entsprechender Mengen Zündungsauslöser, was auch den Einsatz hochsiedender Sicherheitskraftstoffe ermöglicht.

ökonomisch vorteilhaft bietet sich zum anderen die Möglichkeit an, mit Hilfe des "W-Verf ahrens" in einem Einheitsmotor einen in der Herstellung billigen Einheitskraftstoff mit einem weiten Siedebereieh. ohne giftige Klopfinhibitoren, wie Bleitetraäthyl, zu verwenden.

Die wesentlich gesteigerte Sauberkeit der Verbrennung wirkt sich im übrigen auf die Verringerung der biologischen Schädlichkeit der Abgase entscheidend

Beispiel:

In einem zur Kraftstoffprüfung nach DIN 51 '773 genormten Einzylinder-Diesei-Motor mit Wirbelkammer erfolgt die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens durch Verwendung einer zweiten Einspritz-Anlage. Diese besteht im, wesentlichen aus einer einzylindrigen Einspritzpumpe mit Leckölsperre, der zugehörigen Druckleitung und einer am Ansaugkrümmer des Motors angebrachten Zapfendüse. .

Die Zugabe des Zündungsauslösers, wie beispielsweise Hexanolnitfat, Amylnitrat oder Isopropylnitrat, erfolgtr durch Einspritzung von etwa 0,5 Prozent der Kraftstoff-,

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Einspritzmenge während des Ansaughubes in den Ansaugkrümmer.

Die Zugabemengen von Kraftstoff und Zündungsauslöser können durch mikrometrische Feineinstellung der Zahnstange zur Verstellung der Steuerkante des jeweiligen Pumpenelementes nach Belieben aufeinander abgestimmt werden.

Die Grobeinstellung des Abspritzzeitpunktes erfolgt für beide, an den Exzenterwellen gekoppelten Einspritzpumpen, mit .Hilfe einer im Bereich von zirka' l80 Grad Kurbelwinkel bei Stillstand, verstellbaren Kupplung.

Die Feineinstellung wird während des Betriebes mit einer .Mikrometerschraube durchgeführt, womit eine stuf enlo'se Steuerung des Abspritzzeitpunktes. in einem Bereich Von etwa 30 GradKurbelwinkel vorgenommen werden kann.

Dieses, ursprünglich zur GetanζahlbeStimmung verwendete Aggregat, ist zur Eignungsprüfung des beanspruchten Verfahrens prädestiniert, da mitHilfe des vorhandenen Zündverzug-Messgerätes oder mit Hilfe eines Mehrstrahl-Oszillographen die Verkürzung des Zündverzuges, beziehungsweise die Verbesserung der Zündwilligkeit mit der Zugabemenge des Zündungsauslösers bei Verwendung verschiedener Kraftstoffe festgestellt werden kann. .

Unter Anwendung des erfindungsgemässeh Verfahrens, beginnt ein Arbeitsspiel des Motors mit dem Ansaugen der Ladeluft und deren Anreicherung mit Zündungsauslöser durch dosierte Einspritzung in den Ansaugkrümmer während des Ladungshubes.

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Im Kompressionshub wird somit ein' ZündungsauslöserLuft-Gemisch verdichtet.

Die Entflammung und Verbrennung des'Zündungsauslösers, erfolgt nach Aufnahme geringer Zündungsenergie^: zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum.

Durch entsprechende Wahl des Ladedruckes kann die Grosse dieser Zündungsenergie, das heiss.t der Verbrennungsbeginn des Zündungsauslösers auf. den Kraftstoff einspritzbeginn abgestimmt werden.

über dem Kolbenboden befindet sich daher nach Beginn des Einspritzvorganges ein homogenes Gemisch aus zündenden und verbrennenden Zündkernen und Ladeluft, in welches, flüssiger Kraftstoff je nach Düsenart in mehr oder weniger gebündelter Form eintritt.

Mit zunehmender motorischer Verdichtung und fortschreitender Verbrennung der Zündung'sauslöserkerne erfolgt der Phasenwechsel des Kraftstoffes unter Kracken der Kraftstoffmoleküle im Gegensatz zu normalen Diesel-Motoren durch wesentlich beschleunigten übergang von Verdampfungswärme bei hoher Gemischtemperatur .

Die durch intensive Spaltung ohne Luftsauerstoff aus den Kraftstoffmolekülen entstehenden, wesentlich leichteren Gasmoleküle bieten dem Sauerstoff der Ladeluft verbesserte Angriffsmöglichkeiten zur Oxydation.

Mit zunehmender Geschwindigkeit dieser Umsetzung, deren Wert mit der Menge des Zündungsauslösers und gemäss der

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Semj onow-Gleichung. exponentiell mit der Brennraumtemperatur wächst, tritt am Ende des Zündverzuges der Spanne zwischen Einspritz- und Verbrennungsbeginn - im Oberen Totpunkt Entflammung und Verbrennung ein.

Nach dieser Einleitung der Verbrennung laufen sämtliche sich anschliessenden Vorgänge wie Temperatur- und Druckanstieg durch die freiwerdende Verbrennungswärme, oder das^: zündverzugsfreie Abbrennen des nachfolgend eintretenden Kraftstoffes, wie in einem herkömmlichen Diesel-Motor ab.

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Claims (2)

PATENTANSPRUCH

1). !Verfahren zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung der Zylinderladung durch Selbstzündung mit Hilfe eines Zündungsauslösers erfolgt.

2) Verfahren zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen gemäss Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Kraftstoffes durch Brennraumeinspritzung im Kompressionshub, und diejenige des
Zündungsauslösers - ebenfalls während des Betriebes - durch dosierte Saugrohr-Einspritzung im Ladungshub erfolgt.

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