DE10033597A1 - Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines DieselmotorsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors, bei dem in einem Ansaugtakt ein Zylinder mit Verbrennungsluft gefüllt wird und wobei in einem an den Ansaugtakt anschließenden Kompressionstakt die Verbrennungsluft verdichtet wird. Dabei wird Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt und in einem gegen Ende des Kompressionstaktes liegenden Zündzeitraum das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet. Die Hauptmenge des Kraftstoffes wird zeitlich verteilt in einem Homogenisierungszeitraum eingespritzt, der während des Kompressionstaktes endet und wobei ein nicht selbstzündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Im nachfolgenden Zündzeitraum erfolgt eine Zündung durch Hinzufügung einer zusätzlichen Zündenergie.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Die
selmotors.
Bei modernen Dieselmotoren wird der Verbesserung des Ver
brennungsverfahrens eine zunehmende Bedeutung beigemessen,
wobei dieses durch die schärfer werdenden Umweltschutzvor
schriften widersprüchlichen Anforderungen unterliegt. Bei
spielsweise kann die Erzielung eines verbesserten Wirkungs
grades und damit einhergehend eines verringerten Kraft
stoffverbrauches durch Erhöhung der Verbrennungstemperatur
erreicht werden. Damit geht jedoch nachteilig die Erhöhung
eines Ausstoßes von Stickoxiden einher. Neben einer Wir
kungsgradverbesserung kann auch eine Abgasreinigung bei
spielsweise mittels eines Katalysators vorgesehen sein. Zur
Erzielung einer dauerhaft hohen Wirkung eines solchen Kata
lysators ist dieser jedoch zeitweise einem Reinigungsbe
trieb zu unterziehen, bei dem der Dieselmotor unterstöchio
metrisch mit Kraftstoffüberschuß betrieben wird, in dessen
Folge unverbrannte Kraftstoffanteile des Abgases im Kataly
sator nachverbrannt werden. Aus der damit einhergehenden
Erhöhung der Katalysatortemperatur folgt zwar ein Freibren
nen von Rückständen und damit eine Regeneration des Kataly
sators, jedoch führt dieses Verfahren auch zu einer Verrin
gerung des Wirkungsgrades. Auch kann damit eine Erhöhung
des Ausstoßes von Rußpartikeln einhergehen.
Aus der EP 0 967 380 A2 ist ein Dieselmotor bekannt, bei
dem zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bzw. zur Ver
ringerung der Schadstoffemission während des Ansaugtaktes
eine kurzzeitige Voreinspritzung stattfindet. Die Vorein
spritzmenge beträgt etwa 50% der pro Arbeitstakt einzu
spritzenden Gesamtmenge an Kraftstoff. Gegen Ende des Kom
pressionstaktes erfolgt die Haupteinspritzung mit den rest
lichen 50% der einzuspritzenden Kraftstoffmenge. Durch die
Voreinspritzung soll eine Verbesserung der Gemischbildung
und damit einhergehend eine Verbesserung des Wirkungsgrades
bzw. des Schadstoffausstoßes erzielt werden. Das Verfahren
ist nur innerhalb eines begrenzten Betriebsbereiches ein
setzbar. Insbesondere besteht die Gefahr, daß die voreinge
spritzte Menge durch die Haupteinspritzung nicht gezündet
wird. Zur vollständigen Verbrennung der Gesamtkraftstoff
menge muß ggf. etwa 30° nach dem oberen Totpunkt eine wei
tere Einspritzung erfolgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Betrieb eines Dieselmotors derart weiter zu entwickeln, daß
in einem breiten Betriebsbereich der Schadstoffausstoß ver
ringert und der Wirkungsgrad verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, die
Hauptmenge des in einem Arbeitstakt zu verbrennenden Kraft
stoffes in einem während des Kompressionstaktes endenden
Homogenisierungszeitraum zeitlich verteilt einzuspritzen.
Durch die zeitliche Verteilung wird vermieden, daß ein Teil
der eingespritzten Kraftstoffmenge an die Zylinderwand ge
langt und den dort haftenden Ölfilm verdünnt. In dem vor
dem Zündzeitraum liegenden Homogenisierungszeitraum
herrscht im Zylinder ein relativ geringer Druck vor; trotz
dieses geringen Druckes läßt sich durch die zeitliche Ver
teilung der Homogenisierungseinspritzung bis in den Kom
pressionstakt hinein die Bildung eines sehr homogenen
Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielen. Dadurch ist einerseits
eine Verbesserung des Wirkungsgrades und eine Verringerung
des Schadstoffausstoßes erzielbar. Andererseits erfolgt die
Gemischbildung während der Homogenisierungseinspritzung
derart, daß ein nicht selbstzündfähiges Kraftstoff-Luft-Ge
misch entsteht. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, eine
besonders hohe Kraftstoffmenge von deutlich über 50% der
Gesamtmenge während des Homogenisierungszeitraumes einzu
spritzen, ohne daß eine unkontrollierte Selbstzündung be
fürchtet werden muß. Zur Unterstützung der Sicherheit gegen
unkontrollierte Selbstzündung erfolgt die Homogenisierungs
einspritzung derart, daß dabei im wesentlichen keine Wärme
freigesetzt wird. Während des nachfolgenden Zündzeitraumes
erfolgt dann eine kontrollierte Zündung des Kraftstoff-
Luft-Gemisches durch Hinzufügung einer zusätzlichen Zünd
energie, wodurch der Zündzeitpunkt abhängig von den herr
schenden Betriebsbedingung präzise gewählt werden kann.
Durch die homogene Gemischbildung der Haupteinspritzungs
menge während des Homogenisierungszeitraumes ist ein si
chere Zündung der Gesamtmenge vereinfacht.
In einer bevorzugten Ausbildung wird die Zündenergie elek
trisch beispielsweise mittels einer Zünd- oder Glühkerze
hinzugefügt. In einer weiteren Ausbildung des Verfahrens
wird die Zündenergie durch Einspritzen einer zusätzlichen
Zündkraftstoffmenge mittels einer Zündeinspritzung hinzuge
fügt, wodurch eine sichere Selbstzündung ohne zusätzlichen
Vorrichtungsaufwand erzielbar ist. Insbesondere ist dieses
Verfahren bei bereits vorhandenen Dieselmotoren ohne Modi
fikation des Zylinderkopfes anwendbar. Der Homogenisie
rungszeitraum kann abhängig von den Betriebsbedingungen ge
wählt werden und beginnt bevorzugt während des Ansaugtak
tes. Abhängig von der Art des verwendeten Injektors kann es
zweckmäßig sein, die Haupteinspritzmenge während des Homo
genisierungszeitraumes in einzelnen Teileinspritzmengen
einzuspritzen. Bei Verwendung eines Injektors mit einer di
rektgesteuerten Düsennadel kann eine kontinuierliche Homo
genisierungseinspritzung vorteilhaft sein. Die Einspritzung
des Kraftstoffes erfolgt dabei insbesondere im Sitzdrossel
bereich des Injektors, wodurch eine geringe Strahleindring
tiefe erreicht werden kann. Durch die geringe Strahlein
dringtiefe ist die Gefahr gemindert, daß sich Kraftstoff an
den Zylinderwänden absetzt, so daß insgesamt eine gute Ho
mogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch bei einer
großen Einspritzmenge erzielbar ist.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens erfolgt in
einem zwischen dem Homogenisierungszeitraum und dem Zünd
zeitraum liegenden Voreinspritzungszeitraum eine Vorein
spritzung, bei der eine Wärmefreisetzung ohne Zündung des
Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt. Durch diese Voreinsprit
zung und durch die mit ihr verbundene Wärmefreisetzung kann
in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch ein Energieniveau einge
stellt werden, das nur geringfügig unter dem Energiebedarf
für eine Selbstzündung liegt. Dadurch ist neben einer ge
steigerten Zündwilligkeit auch eine vorteilhafte Verringe
rung der zur Zündung erforderlichen hinzuzufügenden Zünd
energie gegeben.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens erfolgt
nach dem Zündzeitraum eine Nacheinspritzung derart, daß ein
unterstöchiometrisches Luftverhältnis entsteht. Dadurch
kann die Brennraumtemperatur bedarfsweise erhöht werden.
Die üblicherweise damit einhergehende Rußbildung ist dabei
durch die verbesserte Gemischbildung im Homogenisierungs
zeitraum eingedämmt. Der Betrieb mit einer Nacheinspritzung
kann zweckmäßig im Zusammenhang mit einer Abgasrückführung
eingesetzt werden, wobei ein Teil des Abgasstromes mit un
verbrannten Kraftstoffanteilen der Verbrennungsluft zuge
führt wird. Dadurch ist eine Verringerung des Stickoxid-
Ausstoßes erzielbar. Des weiteren kann die Nacheinspritzung
bedarfsweise zur Reinigung eines Katalysators erfolgen, wo
bei die damit einhergehende Erhöhung der Katalysatortempe
ratur ein Freibrennen desselben erzeugt und damit zur Ver
besserung seiner Wirkung beiträgt. Gleichzeitig ist ein ü
bermäßiger Ausstoß von Rußpartikeln vermieden.
Abhängig von den Betriebsbedingungen des Dieselmotors kann
es zweckmäßig sein, die Homogenisierungseinspritzung be
darfsweise abzuschalten und den Dieselmotor in vorbekannter
Weise zu betreiben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an
hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Dieselmotor zur
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein schematisches Zeitdiagramm mit der Abfolge der
einzelnen Zeitintervalle,
Fig. 3 ein schematisches Zeitdiagramm mit einer Abfolge
von Teileinspritzungen während des Homogenisie
rungszeitraumes,
Fig. 4 eine Variante der Einspritzfolge nach Fig. 3 mit
einer kontinuierlichen Homogenisierungseinspritzung
und einer Voreinspritzung,
Fig. 5 eine weitere Variante der Einspritzfolge mit einer
zusätzlichen Nacheinspritzung,
Fig. 6 ein schematisches Zeitdiagramm mit dem Energieauf
kommen im Zylinder.
In der schematischen Darstellung nach Fig. 1 ist ein Die
selmotor mit einem Zylinder 1 und einem Kurbelgehäuse 2 ge
zeigt. Im Zylinder 1 ist ein längsverschieblicher Kolben 3
gehalten, der über ein Pleuel 6 gelenkig mit einer im Kur
belgehäuse 2 gelagerten Kurbelwelle verbunden ist. Die Kur
belwelle 4 ist um eine Kurbelachse 5 drehbar. Die Längsbe
weglichkeit des Kolbens 3 ist durch einen oberen Totpunkt
OT und einen unteren Totpunkt UT begrenzt. In einer Ab
wärtsbewegung vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt
UT führt der Kolben 3 einen durch den Pfeil A angedeuteten
Ansaugtakt und in umgekehrter Richtung einen durch den
Pfeil K angedeuteten Kompressionstakt aus. Während des An
saugtaktes A wird Verbrennungsluft 12 durch eine Frisch
luftleitung 7 in den Zylinder 1 geleitet und im anschlie
ßenden Kompressionstakt K komprimiert. Durch einen Injektor
8 wird Kraftstoff 15 in den Zylinder 1 eingespritzt. Das
bei der Verbrennung entstehende Abgas 13 wird durch eine
Abgasleitung 10 und einen in der Abgasleitung 10 angeordne
ten Katalysator 11 abgeführt. Die Abgasleitung 10 und die
Frischluftleitung 7 sind über ein Ventil 14 verbunden, wo
durch bedarfsweise eine Teilmenge des Abgases 13 der Ver
brennungsluft 12 zugeführt werden kann. Im Bereich nahe des
Injektors 8 ist eine Zündkerze 16 angeordnet.
Im Zeitdiagramm nach Fig. 2 ist abhängig von der Zeit t ein
Ansaugtakt A gezeigt, der beim Erreichen des unteren Tot
punktes UT endet. Daran anschließend erfolgt zwischen dem
unteren Totpunkt UT und dem oberen Totpunkt OT ein Kompres
sionstakt K. Es ist ein Homogenisierungszeitraum tH vorge
sehen, der während des Ansaugtaktes A beginnt und während
des Kompressionstaktes K endet. Gegen Ende des Kompressi
onstaktes K im Bereich des oberen Totpunktes OT liegt ein
Zündzeitraum tZ. Zwischen dem Homogenisierungszeitraum tH
und dem Zündzeitraum tZ ist ein Voreinspritzungszeitraum tV
angeordnet. Nachfolgend an den Zündzeitraum tZ liegt ein
Nacheinspritzungszeitraum tN. Die gezeigten Zeiträume kön
nen mit Abstand zueinander oder direkt aufeinander folgend
angeordnet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen
sie sich gegenseitig überlappend.
In dem in Fig. 3 schematisch gezeigten Diagramm ist die pro
Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge M über der Zeit
t aufgetragen. Die Homogenisierungseinspritzung H erfolgt
mittels eines schnellschaltenden Injektors 8 in mehreren
Teileinspritzungen T und ist über den Homogenisierungszeit
raum tH verteilt. Der Homogenisierungseinspritzung H folgt
im Zündzeitraum tZ eine Zündeinspritzung Z. Die Gesamtmenge
M des eingespritzten Kraftstoffes 15 (Fig. 1) ist dabei in
die Hauptmenge MH und die kleinere Zündeinspritzmenge MZ
aufgeteilt.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Variante des Verfahrens erfolgt
die Homogenisierungseinspritzung H während des Homogenisie
rungszeitraumes tH kontinuierlich mittels eines Injektors 8
mit einer direktgesteuerten Düsennadel. Darauffolgend fin
det während eines Voreinspritzungszeitraumes tV eine Vor
einspritzung V statt. Die Zündung im Zündzeitraum tZ er
folgt durch einen elektrisch betriebenen Aktuator 16 nach
Fig. 1.
Fig. 5 zeigt noch eine Variante des Verfahrens, bei dem
nach einer kontinuierlichen Haupteinspritzung H eine Vor
einspritzung V und eine Zündeinspritzung Z erfolgt. Im
zeitlichen Abstand dazu liegt ein Nacheinspritzungszeitraum
tN, innerhalb dessen bei einer Nacheinspritzung N eine
Nacheinspritzungsmenge MN eingespritzt wird. In den übrigen
Merkmalen und Bezugszeichen stimmt die Fig. 5 mit den zuvor
gezeigten Fig. 2 bis 4 überein. Insbesondere erfolgt bei
den in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Varianten des Verfahrens
die Homogenisierungseinspritzung des Kraftstoffes 15 in den
Zylinder 1 im Sitzdrosselbereich des Injektors 8, wodurch
eine besonders geringe Eindringtiefe des Kraftstoffes 15
erzielt wird.
Über die gezeigten Ausführungsbeispiele hinaus können noch
weitere Kombinationen der Homogenisierungseinspritzung H
mit einer Zündeinspritzung Z, einer Voreinspritzung V oder
einer Nacheinspritzung N zweckmäßig sein. Die zu verbren
nende Kraftstoffmenge M setzt sich aus den während der Ho
mogenisierungseinspritzung H, der Voreinspritzung V und der
Zündeinspritzung Z eingespritzten Teilmengen (MH, MV, MZ)
zusammen; die zusätzliche Nacheinspritzungsmenge MN erzeugt
bei der Verbrennung ein unterstöchiometrisches Luftverhält
nis. Die dabei entstehenden Abgase 13 werden nach Fig. 1
durch einen Katalysator 11 zu dessen Reinigung geleitet und
können über ein Ventil 14 der Verbrennungsluft 12 zur Fül
lung des Zylinders 1 zugeführt werden.
Das in Fig. 6 gezeigte schematische Diagramm zeigt den E
nergiegehalt E im Zylinder 1 (Fig. 1), aufgetragen über ei
ner Zeitachse t im Bereich des Kompressionstaktes K. Wäh
rend des Homogenisierungszeitraumes tH erfolgt im wesentli
chen keine Wärmefreisetzung im Kraftstoff-Luft-Gemisch 9
(Fig. 1), so daß in diesem Zeitbereich der Energiegehalt E
durch die Kompressionsenergie EK bestimmt ist. Der Energie
bedarf für die Selbstzündung ist durch die Linie ES gekenn
zeichnet. Die Kompressionsenergie EK bleibt unterhalb der
Linie Es; das Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 ist also nicht
selbst zündfähig. Im Voreinspritzungszeitraum tV erfolgt
eine Voreinpritzung V (Fig. 4, Fig. 5) mit einer Wärmefrei
setzung EV, wodurch der Energiegehalt E geringfügig unter
dem Energiebedarf für die Selbstzündung ES liegt, ohne daß
Selbstzündung stattfindet. Im Zündzeitraum tZ wird eine zu
sätzliche Zündenergie EZ zugefügt, wodurch der Energiege
halt E größer als der Energiebedarf für Selbstzündung ES
ist und eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches 9 statt
findet. Die Hinzufügung der Zündenergie EZ kann durch eine
Zündeinspritzung Z beispielsweise nach Fig. 5, elektrisch
beispielsweise nach den Fig. 1 und 3 oder auch in Kombina
tion erfolgen.
Claims (13)
1. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors, welches fol
gende Schritte umfaßt:
- a) in einem Ansaugtakt (A) wird ein Zylinder (1) mit Verbrennungsluft (12) gefüllt;
- b) in einem an den Ansaugtakt (A) anschließenden Kom pressionstakt (K) wird die Verbrennungsluft (12) verdichtet;
- c) in einem Homogenisierungszeitraum (tH), der während des Kompressionstaktes (K) endet, wird in einer Ho mogenisierungseinspritzung (H) zeitlich verteilt eine Hauptmenge (MH) der zu verbrennenden Menge (M) von Kraftstoff (15) mittels eines Injektors (8) in den Zylinder (1) eingespritzt, wobei ein nicht selbstzündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht;
- d) im nachfolgenden Zündzeitraum (tZ) erfolgt eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (9) durch Hinzufügung einer zusätzlichen Zündenergie (EZ).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Homogenisierungs
einspritzung (H) im wesentlichen keine Wärmefreisetzung
erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergie (EZ) mit
tels eines elektrisch betriebenen Aktuators (16) hinzu
gefügt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergie (EZ) durch
Einspritzen einer zusätzlichen Zündkraftstoffmenge (MZ)
bei einer Zündeinspritzung (Z) hinzugefügt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Homogenisierungszeit
raum (tH) während des Ansaugtaktes (A) beginnt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungsein
spritzung (H) kontinuierlich erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungsein
spritzung (H) in mehreren Teileinspritzungen (T) er
folgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Homogenisierungs
einspritzung (4) die Zufuhr des Kraftstoffes (15) in
den Zylinder (1) im Sitzdrosselbereich des Injektors
(8) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem zwischen dem Homo
genisierungszeitraum (tH) und dem Zündzeitraum (tZ)
liegenden Voreinspritzungszeitraum (tV) eine Vorein
spritzung (V) einer Voreinspritzmenge (MV) von Kraft
stoff (15) erfolgt, wobei bei der Voreinspritzung (V)
eine Wärmefreisetzung (EV) ohne Zündung des Kraftstoff-
Luft-Gemisches erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zündzeitraum (tZ)
in einem Nacheinspritzungszeitraum (tN) eine Nachein
spritzung (N) einer Nacheinspritzungsmenge (MN) von
Kraftstoff (15) derart erfolgt, daß ein unterstöchiome
trisches Luftverhältnis entsteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Verbrennung
des Kraftstoffes (15) entstehende Abgas (13) teilweise
der Verbrennungsluft (12) zur Füllung des Zylinders (1)
zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nacheinspritzung (N)
bedarfsweise zur Reinigung eines Katalysators (11) für
das Abgas (13) erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungsein
spritzung (H) bedarfsweise abgeschaltet wird.
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