DE60221249T2 - Verfahren zur kraftstoffeinspritzung in einen verbrennungsmotor und verbrennungsmotor - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Motor eines Kolben-Zylinder-Typs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf einen Motor nach dem Anspruch 10.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Problem eines konventionellen Dieselmotors liegt darin, dass er hohe NOx-Emissionen produziert. Dies geschieht deswegen, weil nach dem Einspritzen von Kraftstoff eine Verbrennung in einem zentralen Bereich der Brennkammer beginnt und sich daraufhin entlang einer Front zu anderen Bereichen der Brennkammer fortpflanzt. Der Grund für die hohen NOx-Emissionen liegt darin, dass lokal sehr hohe Verbrennungstemperaturen an der Brennfront auftreten.
  • Ein Brennprozess namens HCCI wurde in der Absicht entwickelt, um zu versuchen, dieses Problem zu beseitigen. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff frühzeitig vor dem Zeitpunkt einer Entzündung eingespritzt wird, um der Bildung eines im Wesentlichen homogenen Kraftstoffgemischs Zeit zu geben, welches dann durch Druck in der Brennkammer entzündet wird, wenn sich der Kolben in der unmittelbaren Umgebung seiner oberen Totpunktposition befindet. In dieser Situation findet die Verbrennung nicht entlang einer Front, sondern gleichzeitig und relativ gleichförmig über die Brennkammer statt. Die hohen Temperaturen, die sich entlang einer Brennfront bilden, und die damit verbundenen Probleme, die sich aus hohen Brenntemperaturen ergeben, werden dadurch vermieden.
  • HCCI-Motoren bieten erhebliche Vorteile, die nicht nur einen geringen oder keinen NOx Ausstoß umfassen, sondern auch eine hohe Effizienz, die nahe an die von Dieselmotoren heranreicht. HCCI-Motoren überwinden die Probleme, da das homogene Gemisch (mit hohem λ-Punkt) zu geringeren Brenntemperaturen führt, dadurch dass eine Verbrennung im Wesentlichen gleichzeitig innerhalb ausgedehnter Bereiche der Brennkammer ausgelöst wird. Das Gesamtergebnis ist eine gleichmäßigere Temperaturverteilung ohne das Auftreten von Temperaturen in dem Zylinder, die einen NOx Anstieg zur Folge haben.
  • Es hat sich gezeigt, dass Emissionsprobleme bezüglich schädlicher Schmutzstoffe somit in Verbrennungsmotoren der Form überwunden werden können, die eine Verbrennung eines homogenen vorgemischten Kraftstoff/Luftgemischs einsetzen.
  • Jedoch haben Motoren dieser Art eine Vielzahl anhaftender Nachteile, wie die Schwierigkeit tatsächlich ein homogenes Luft/Kraftstoffgemisch zu erzielen.
  • Dies gilt insbesondere dann, wenn mit schwereren Kraftstoffen, wie Dieselöl, gearbeitet wird. Der Grund liegt darin, dass es mit heutiger Technologie schwierig ist, eine Verdampfung schwerer Kraftstoffe zu erreichen. Dies hat dazu geführt, dass von der Entwicklungsarbeit eines HCCI-Motors bislang viel auf ein Arbeiten mit leichteren Kraftstoffen, wie beispielsweise Ethanol, ausgerichtet wurde.
  • GB-A-2 277 776 offenbart ein Einspritzen von Kraftstoff in einen Viertakt-Verbrennungsmotor eines Kolben-Zylindertyps mit Druckentzündung, wobei eine bestimmte Menge an Kraftstoff (hauptsächlich Diesel und nebensächlich Benzin) einer Brennkammer für jeden Arbeitstakt zugeführt wird. Sie offenbart ebenfalls, dass EGR-Gase zurück in die Brennkammer geführt werden und dass ein erster Teil der Menge an Kraftstoff mit heißen EGR-Gasen zum Zuführen zu der Brennkammer vereinigt wird. Sie offenbart außerdem, dass der erste Teil mit den heißen EGR-Gasen in einem Raum vor der Brennkammer vermischt wird. Jedoch offenbart dieses Dokument nichts über ein Kühlen von heißen EGR-Gasen oder auf welche Weise diese Gase verteilt werden sollen.
  • AUFGABEN UND WICHTIGSTE MERKMALE DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Verbrennungsmotor anzugeben, wodurch die Nachteile des Stands der Technik beseitigt oder zumindest verringert werden.
  • Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, wodurch es möglich ist, eine bessere Kraftstoffverdampfung zu erreichen und somit ein homogeneres Kraftstoffgemisch zu verdichten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mithilfe eines Verfahrens zum Einspritzen von Kraftstoff der eingangs genannten Art in Übereinstimmung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht und durch Gestalten des Verbrennungsmotors nach den Merkmalen in Anspruch 10.
  • Dies bedeutet, dass die Energie in den weitergeleiteten heißen EGR (Exhaust Gas Recirculation, Abgasrückführung)-Gasen zum Verdampfen des Kraftstoffs verwendet wird, bevor er in die Verbrennungskammer eindringt. Das Ergebnis ist nicht nur ein in verstärktem Maße homogenes Gemisch, sondern auch die Möglichkeit, einen Motor mit Kraftstoffen zu betreiben, die schwieriger zu verdampfen sind, wie beispielsweise Dieselöl. Die Möglichkeit, dass die Erfindung ebenfalls auf beispielsweise Ethanol angewendet wird, das leicht zu verdampfen jedoch schwer zu entzünden ist, wird nichtsdestotrotz nicht ausgeschlossen, da Kraftstoffe dieser Art ebenfalls Vorteile haben.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird der Kraftstoff mit EGR-Gasen vermischt, bevor er der Brennkammer zugeführt wird; dadurch werden gute Bedingungen geschaffen, um eine gute Verdampfung zu erreichen, und es wird ermöglicht, eine teure Direkteinspritzungsanlage zu umgehen.
  • Ein Betreiben des Antriebs kann abhängig von der Last durch Variieren des Verhältnisses zwischen den ersten und zweiten EGR-Teilen optimiert werden.
  • Weitere Vorteile werden durch die Merkmale in den anderen abhängigen Ansprüchen erreicht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun detaillierter auf der Grundlage einer beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem Steuersystem zeigt, und
  • 2 schematisch ein Detail des Verbrennungsmotors in 1 zeigt.
  • BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 1 mit einer Zylinderbank 9 mit sechs Zylindern, und Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Brennkammer, die zu einem dieser Zylinder gehört. Die Zeichnung zeigt ebenfalls eine Ansaugverteilerleitung 8 und einen Abgassammler 11. Der Auslass 12 des Abgassammlers 11 ist mit einer Turboeinheit 13 verbunden. Ein erstes EGR-Ventil 15 ist in einem Leitungskanal 14 angeordnet, über den abgekühlte EGR-Gase geführt werden, um zusammen mit Luft den jeweiligen Brennkammern über Einlasskanäle 8' von der Ansaugverteilerlei tung 8 zugeführt zu werden. Das erste EGR-Ventil 15 kann verwendet werden, um die Menge gekühlter Abgase zu regulieren, die über den Leitungskanal 14 zurückgeführt wird und dabei einen EGR-Kühler 17 durchströmt.
  • Außerdem wird ein zweites EGR-Ventil 16 bereitgestellt, das in einem weiteren Leitungskanal 18 angeordnet ist, um die Menge ungekühlter EGR-Gase zu regulieren, die durch einen Verteiler 5 für ungekühlte EGR-Gase und dadurch zu einzelnen Kanälen 5' geführt werden, die in die jeweiligen Verbrennungskammern 2 hineinführen.
  • Erfindungsgemäß ist es der ungekühlte Teil, der zum Verdampfen des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs verwendet wird.
  • Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Leitung für Ladeluft, die von der Turboeinheit 13 kommt und in einer konventionellen Weise durch einen Ladeluftkühler 21 strömen soll, bevor sie in die Ansaugverteilerleitung 8 einströmt.
  • Die EGR-Ventile 15 und 16 werden durch eine Steuereinheit 19 gesteuert, die in einer konventionellen Weise über elektrische Leitungen, die durch unterbrochene Linien 22 dargestellt sind, mit Signalen versorgt wird, die Motorbetriebsparameter betreffen, wie Motordrehzahl, Motorlast, Motortemperatur, Beschleunigungsvorrichtungsposition, Abgaszusammensetzung etc.
  • Das Detail des Verbrennungsmotors 1 in 1, das schematisch in 2 gezeigt ist, zeigt einen der Zylinder mit einem darin bewegbaren Kolben 3, der die Brennkammer begrenzt. Die Brennkammer 2 besitzt in sie hineinführende Einlasskanäle 8' für Ansaugluft und gekühlte EGR-Gase. Die Brennkammer 2 besitzt ebenfalls davon wegführend einen nicht dargestellten Auslasskanal. Diese Kanäle sind mit geeigneten Ventilen in einer konventionellen Weise ausgestattet.
  • In dieser Ausführungsform umfasst ein Zylinderkopf ebenfalls eine erste Kraftstoffdüse 23 zum Direkteinspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer 2 hinein.
  • Erfindungsgemäß ist in dem Leitungskanal 5' ebenfalls eine zweite Kraftstoffdüse 7 aufgenommen, um einen Teil des Kraftstoffs in einen Mischraum 6 einzuspritzen. Dieser Mischraum 6 kann ein unkomplizierter gerader Bereich des Leitungskanals 5', ein verbreiteter Bereich oder, wie in 2 gezeigt, eine Wirbelkammer sein. Ein Strom heißer EGR-Gase, der durch den Leitungskanal 5' geführt wird, wird verwen det, um zu ermöglichen, dass der über die Düse 7 zugeführte Kraftstoff verdampft wird, um ein Kraftstoff/Gasgemisch zu bilden.
  • Dieses Gemisch wird in die Brennkammer 2 hineingeführt, um die Entwicklung eines im Wesentlichen homogenen Kraftstoff/Luftgemischs innerhalb der Brennkammer zu erreichen.
  • Die Steuereinheit 19 ist ebenfalls ausgeführt, um einen Apparat zu steuern, der zu dem Motor zum Zuführen von Kraftstoff über die beiden Düsen 7 und 23 in 2 gehört. Die Steuereinheit 19 ist vorzugsweise darauf programmiert, nicht nur das Verhältnis zwischen den Mengen an über diese Düsen 7 und 23 eingespritzten Kraftstoffs zu optimieren, sondern auch die Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs und möglicherweise auch den Zeitpunkt der jeweiligen Einspritzungen im Verhältnis zu dem Winkel der Kurbelwelle des Motors. Diese Optimierung wird auf der Grundlage ermittelter Betriebsparameter durchgeführt und umfasst ebenfalls eine Steuerung der EGR-Mengen, sowohl der gekühlten als auch ungekühlten, durch Regelung der Ventile 15 und 16.
  • Die Erfindung kann innerhalb der Rahmen der Ansprüche variiert werden, insbesondere das Verhältnis zwischen den unterschiedlichen EGR-Teilen, d.h. der gekühlte EGR-Teil und der ungekühlte EGR-Teil, ebenso wie die Kraftstoffmengenverhältnisse, wie vorstehend angegeben, für unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden können. Es ist nichtsdestotrotz möglich, über die gesamte Betriebsspanne ein Kraftstoffmengenverhältnis anzusetzen, das im Prinzip festgelegt ist. Es ist jedoch ebenfalls erfindungsgemäß möglich, insbesondere in dem Fall von schweren Kraftstoffen, die schwierig zu homogenisieren sind, ein Einspritzen vollständig in Verbindung mit heißen EGR-Gasen vorzunehmen, in welchem Fall die direkte Einspritzdüse 23 folglich entfällt.
  • In einer möglichen, jedoch nicht bevorzugten Ausführungsform gibt es keine Regulierung durch Dämpfer oder Ähnliches.
  • Eine Regulierung kann nichtsdestotrotz durch viele andere Wege als vorstehend beschrieben erreicht werden, beispielsweise durch Regulierung des Einlassflusses zu der Turboeinheit auf der Grundlage von Motorlast und Motordrehzahl.
  • EGR-Gase können auf unterschiedliche konventionelle Arten abgeführt und zurückgeführt werden, beispielsweise vor oder nach der Turboeinheit und über unterschiedliche Ventilsysteme, Venturisysteme, Pumpen, lange oder kurze Leitungen etc.
  • Um eine bevorzugte Betriebsart zu erreichen, müssen die EGR-Ströme ausgehend von dem Motor jedoch reguliert werden. Dies zieht unter anderem nach sich, sicher zu stellen, dass die heißen EGR-Gase wirklich ausreichend Energie beinhalten, um nicht nur den Kraftstoff richtig zu verdampfen, sondern auch um zu verhindern, dass Kraftstoff an den Wänden des Einlasssystems oder in dem Zylinder oder, sobald das Gemisch auf gekühlte Gasströme trifft, rückkondensiert. Diese Erfindung schließt natürlich nicht die Möglichkeit aus, das EGR-Mengen ebenfalls aus herkömmlichen Betriebsgründen geregelt werden. Vorzugsweise wird das Verhältnis zwischen den ersten und zweiten EGR-Gasteilen auf der Grundlage von Betriebsparametern, wie Motordrehzahl, Motorlast, Motortemperatur, Beschleunigungsvorrichtungsposition und/oder Abgaszusammensetzung geregelt.
  • Ein wichtiger Vorteil davon, dass die gesamte Kraftstoffmenge in oder in Verbindung mit einem EGR-Kanal eingespritzt wird, bevor das Gesamtgemisch über ein Ventil in die Brennkammer eingeführt wird, besteht darin, dass eine teure Anlage zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Zylinder somit umgangen wird. Eine Anlage zur Saugrohreinspritzung ist wesentlich weniger teuer und weniger kompliziert. Die Erfindung ermöglicht eine effektive Saugrohreinspritzung selbst von schweren Kraftstoffen.
  • Die Möglichkeit, dass die Kraftstoffmenge, die mit heißen EGR-Gasen vereinigt wird, während der tatsächlichen Phase des Einspritzens in den Zylinder hinein in Kontakt mit ihnen gebracht wird, ist jedoch nicht ausgeschlossen. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass das Einspritzen von Kraftstoff in den heißen EGR-Gasstrom erfolgt.
  • Eine weitere Möglichkeit für ein Bereitstellen heißer EGR-Gase zum Verdampfen von Kraftstoff besteht darin, ein Einlassventil zu einem Zylinder zeitweise zu einem Zeitpunkt zu öffnen, bevor sich das Abgasventil öffnet, um die heißen Abgase von der Verbrennung in den verschiedenen Zylindern in den Einlasskanal hinein abzugeben. Kraftstoff kann somit in diese heißen Gase hinein eingespritzt werden und während der Einlassphase zurück zu der Brennkammer geführt werden.
  • Es sollte angemerkt werden, dass „heiße" EGR-Gase gegebenenfalls „ungekühlt" bedeutet, dass jedoch die Erfindung nicht die Möglichkeit ausschließt, dass diese Gase einem geringen Grad von Kühlung ausgesetzt worden sind.
  • Die Erfindung kann auf unterschiedliche Kraftstoffe angewendet werden, was bedeutet, dass beispielsweise Ethanol, Methanol, Benzin oder Dieselöl verwendet werden können.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Motor (1) eines Kolben-Zylinder-Typs mit Kompressionszündung, umfassend: Zuführen von Einlassluft in eine Brennkammer (2) eines Motorzylinders; Zuführen einer Menge von Kraftstoff zu der Brennkammer (2) in dem Motorzylinder und Betreiben jedes Arbeitszyklus des Motors mit Luft und der Menge an Kraftstoff in der Brennkammer (2) und Erzeugen von heißen EGR (Exhaust Gas Recirculation, Abgasrückführung)-Gasen in der Brennkammer (2) während des Arbeitszyklus; Zuführen der heißen EGR-Gase zurück zur Brennkammer (2); Vereinigen wenigstens eines ersten Teils der Menge von Kraftstoff mit wenigstens einem ersten Teil der heißen EGR-Gase, bevor die vereinigte Menge an Kraftstoff und EGR-Gasen mit der Einlassluft vermischt wird; wobei das Zuführen der Menge an Kraftstoff das Zuführen des miteinander vereinigten ersten Teils einer Menge an Kraftstoff und des ersten Teils der EGR-Gase zu der Brennkammer (2) umfasst; und Kühlen eines zweiten Teils der heißen EGR-Gase; und Leiten des gekühlten zweiten Teils der EGR-Gase zu der Brennkammer (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, Vereinigen des ersten Teils der Menge an Kraftstoff mit den heißen EGR-Gasen in einem Raum (6), bevor der vereinigte erste Teil der Menge an Kraftstoff und der erste Teil der EGR-Gase der Brennkammer (2) in dem Zuführschritt zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, Einstellen eines Verhältnisses zwischen den ersten und zweiten EGR-Gas-Teilen auf Grundlage wenigstens eines Betriebsparameters, der aus der Gruppe ausgewählt wurde, die besteht aus Motordrehzahl, Motorlast, Motortemperatur, Beschleunigungsvorrichtungsposition und Abgaszusammensetzung.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge an Kraftstoff einen Kraftstoff umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethanol, Methanol, Benzin oder Dieselkraftstoff besteht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Zuführen eines zweiten Teils der Menge an Kraftstoff direkt in die Brennkammer (2) ohne Kombinieren des zweiten Teils der Menge an Kraftstoff mit den heißen EGR-Gasen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend Einstellen eines Verhältnisses zwischen dem ersten und zweiten Teil der Menge an Kraftstoff auf Grundlage wenigstens eines Betriebsparameters, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Motordrehzahl, Motorlast, Motortemperatur, Beschleunigungsvorrichtungsposition und Abgaszusammensetzung.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Koordinieren eines Verhältnisses zwischen dem ersten und zweiten Teil der Menge an Kraftstoff und eines Verhältnisses zwischen dem ersten und zweiten Teil der EGR-Gase derart, dass der erste Teil der EGR-Gase eine hinreichende Energie relativ zu dem ersten Teil der Menge an Kraftstoff aufweist, um die Menge an Kraftstoff zu verdampfen und um eine Kondensation der Menge an Kraftstoff während des Motorbetriebs zu verhindern.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Koordinieren des ersten Teils der Menge an Kraftstoff mit den heißen EGR-Gasen derart, dass die heißen EGR-Gase eine hinreichende Energie relativ zu dem ersten Teil der Menge an Kraftstoff aufweisen, um den ersten Teil der Menge an Kraftstoff zu verdampfen und um eine Kondensation der Menge an Kraftstoff während des Motorbetriebs zu verhindern.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Mischen der vereinigten Menge an Kraftstoff und EGR-Gasen mit der Einlassluft innerhalb der Brennkammer (2).
  10. Verbrennungsmotor eines Kolben-Zylinder-Typs mit einer Kompressionszündung, wobei der Motor umfasst: wenigstens einen Zylinder mit einer jeweiligen Brennkammer (2), die einen Auslass, wenigstens einen Einlass, und Arbeitszyklen aufweist; eine Zuführvorrichtung zum Zuführen einer spezifizierten Menge an Kraftstoff zu der Brennkammer (2) für jeden Arbeitszyklus in der Brennkammer; eine Rückführvorrichtung zum Führen von heißen EGR-Gasen, die während der Arbeitszyklen erzeugt wurden, von der Brennkammer (2) durch den Auslass und zurück zur Brennkammer durch den wenigstens einen Einlass; eine Vereinigungsvorrichtung (7) zum Zusammenführen wenigstens eines ersten Teils der Menge an Kraftstoff mit wenigstens einem ersten Teil der heißen EGR-Gase von dem Auslass bevor die zusammengeführte Menge an Kraftstoff und EGR-Gasen mit Einlassluft vermischt werden; und eine Vorrichtung zum Kühlen eines zweiten Teils der heißen EGR-Gase von dem Auslass und zum Zuführen des gekühlten zweiten Teils der EGR-Gase zu der Brennkammer (2).
  11. Motor nach Anspruch 10, wobei der wenigstens eine Einlass einen Raum (6) vor der Brennkammer (2) umfasst, und wobei die Vereinigungsvorrichtung (7) betreibbar ist, um den ersten Teil der Menge an Abgasen mit dem ersten Teil der heißen EGR-Gase in dem Raum zusammenzuführen.
  12. Motor nach Anspruch 11, wobei der Raum eine Wirbelkammer (6) ist.
  13. Motor nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Steuereinheit (19), die betreibbar ist, um die Zuführvorrichtung zum Regeln der Menge an der Brennkammer (2) zugeführtem Kraftstoff auf Grundlage von Betriebsparametern zu steuern.
  14. Motor nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Steuereinheit (19) die zum Steuern der Rückführvorrichtung zum Regeln einer Menge der heißen EGR-Gase, die von der Brennkammer (2) zurück in die Brennkammer geführt werden, auf Grundlage von Betriebsparametern betreibbar ist.
  15. Motor nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Mischbereich innerhalb der Brennkammer (2), in dem die zusammengeführte Menge an Kraftstoff und EGR-Gasen mit der Einlassluft vermischt werden.
DE60221249T 2001-05-21 2002-05-15 Verfahren zur kraftstoffeinspritzung in einen verbrennungsmotor und verbrennungsmotor Expired - Lifetime DE60221249T2 (de)

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SE0101792 2001-05-21
PCT/SE2002/000917 WO2002095210A1 (en) 2001-05-21 2002-05-15 Method for fuel injection in a combustion engine and combustion engine

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