DE19983702B3

DE19983702B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE19983702B3
Application number: DE19983702T
Authority: DE
Inventors: Anders Hultquist; Christer Hedström
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: SE520889C2; DE19983702T1; SE9803950D0; WO2000031408A1; SE9803950L; US6578545B1

Abstract

Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Arbeitszylinder für eine Verbrennungskraftmaschine, in der Luft und Kraftstoff vermischt und durch Selbstzündung gezündet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen der ganze Kraftstoff in den Arbeitszylinder im Bereich des oberen Totpunktes (8) des Kolbens im Gaswechselhub (4, 5) eingespritzt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Arbeitszylinder für eine Verbrennungskraftmaschine und eine Verbrennungskraftmaschine.
STAND DER TECHNIK
Bei herkömmlichen Dieselmotoren besteht eine Schwierigkeit darin, daß sie große Stickstoffoxid(NO_x)-Emissionen als Folge sehr hoher Verbrennungstemperaturen in begrenzten Abschnitten der Arbeitszylinder erzeugen. Verbrennungskraftmaschinen, die diese emissionsbezogenen Schwierigkeiten vermeiden sollen, sind u. a. unter der Bezeichnung ATAC (Active Thermic Atmospheric Combustion; Aktive Thermische Atmosphärische Verbrennung) bekannt und lassen sich, allgemeinverständlich, als eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor beschreiben. In ihrem Falle wird ein vorgemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Arbeitszylinder eingeleitet und durch Kompression gezündet, wenn sich der Arbeitskolben in der Nähe seines oberen Totpunktes in der Zündphase befindet. Zu den Vorteilen der ATAC-Motoren gehört, daß sie wenig oder keine NO_x-Emissionen erzeugen und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, der dem herkömmlicher Dieselmotoren nahekommt. ATAC-Motoren vermeiden die vorstehend beschriebene Schwierigkeit teils durch Verwenden eines mageren Gemischs, was zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen führt, teils weil die Verbrennung in ausgedehnten Bereichen der Verbrennungskammer im Wesentlichen gleichzeitig ausgelöst wird. Insgesamt ergibt sich eine gleichmäßigere Temperaturverteilung ohne die genannten sehr hohen Verbrennungstemperaturen in Abschnitten der Brennkammer.
Jedoch verlangt das Erreichen eines relativ homogenen vorgemischten Kraftstoff-Luft-Gemischs spezielle Maßnahmen im Motor und zusätzliche Bauteile im Ansaugsystem, verglichen mit einem herkömmlichen Dieselmotor, wodurch ATAC-Motoren teurer und komplexer werden. Es hat sich auch als schwierig herausgestellt, homogenes Mischen wirkungsvoll zu erreichen, insbesondere bei Verwendung herkömmlichen Dieselkraftstoffs. Insbesondere hat die angewandte Technik zu rascher Bildung von Kraftstofftropfen geführt, die zu groß sind und sich an den Wänden der Brennkammer niederschlagen, woraus sich geringe Kraftstoffersparnis und hohe Emissionen an unverbranntem Kraftstoff ergeben.
Das Dokument EP 0 859 148 A2 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzpumpe. Mit dieser Kraftstoffeinspritzpumpe wird ein Voreinspritzen einer Menge eines Kraftstoffs und ein späteres Haupteinspritzen eines Kraftstoffs ermöglicht. Dabei weist die Kraftstoffeinspritzpumpe einen Kolben auf, der den Kraftstoff in eine Druckkammer schiebt. Die Kraftstoffeinspritzpumpe weist zusätzlich eine Stellhülse, die die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs bestimmt, und an einer Nockenwelle angeordnete Nocken für die Bewegung des Kolbens auf. Dabei hat der Nocken eine kleine Nase für das Voreinspritzen und auf der gegenüber liegenden Seite eine große Nase für das Haupteinspritzen eines Kraftstoffs.
AUFGABEN UND WICHTIGSTE MERKMALE DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schwierigkeiten des Standes der Technik zu vermeiden und eine einfachere und wirtschaftlichere und wirkungsvolle Lösung anzugeben.
Dies wird mit einem Verfahren und einer Anordnung der in der Einleitung erwähnten Art durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Patenansprüche 1 und 7 erreicht.
Das auf einfache und vorteilhafte Weise erreichte Ergebnis ist eine homogene Mischung von Kraftstoff und Luft, da der Kraftstoff während einer Phase eingespritzt wird, in der sich heiße Restgase von vorhergehenden Verbrennungszyklen noch im Arbeitszylinder befinden, wodurch eine Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs gefördert wird. Während des Ansaughubes wird die angesaugte (oder eingeleitete) Luft in wirkungsvoller Weise mit dem verdampften oder zumindest im Wesentlichen verdampften Kraftstoff so gemischt, daß ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch in der gesamten Brennkammer entsteht. Nach dem Ansaughub wird in herkömmlicher Weise verdichtet, gefolgt von Zündung im Bereich des oberen Totpunktes im Verdichtungshub.
Dem Motor werden somit Vorteile geboten, die sich auf homogene Verbrennung beziehen, ohne daß bei ATAC-Motoren notwendige Behelfsmaßnahmen getroffen werden müssen. Beispielsweise ist keine getrennte Mischkammer erforderlich. Dagegen kann das herkömmliche Einspritzsystem des Motors mit modifizierter Spritzverstellung verwendet werden. Es wird auch eine wirkungsvollere Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erreicht. Spritzverstellung kann mit dem Motorrechnersystem ausgeübt werden, und Spritzen kann physisch mit herkömmlichen mechanischen, elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Geräten ausgeführt werden, die für das Kraftstoffeinspritzen in Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Kraftstoff ganz in den Arbeitszylinder im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens im Gaswechselhub in die heißen Restgase eingespritzt, was bedeutet, daß der Kraftstoff im Arbeitszylinder richtig vermischt wird, bevor er verbrannt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in dem nachstehend beschriebenen Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung angegeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt in Form eines Diagramms, auf welche Weise verschiedene Motorparameter während eines Arbeitsspiels in Wechselwirkung agieren, z. B. Ventilkurven für Auslaß- und Einlaßventile, und Momentanvolumen als Funktion der Kurbelwellendrehung in Grad, mit Angabe der Positionen für Kraftstoffeinspritzung am Fuß des Diagramms.
BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
Die in 1 dargestellten Kurven zeigen, auf welche Weise verschiedene Parameter in einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine in Wechselwirkung agieren. Die Verbrennungskraftmaschine ist ein Mehrzylinder-Kolbenmotor, der z. B. für den Antrieb von Schwerfahrzeugen verwendet wird und wie ein sogenannter ATAC-Motor arbeitet, bei dem Luft und Kraftstoff gemischt und durch Selbstzündung gezündet werden. Da alle Arbeitszylinder in ähnlicher Weise arbeiten, ist im Diagramm nur das Muster angegeben, das in einem der Arbeitszylinder während eines Arbeitsspiels auftritt.
Das Diagramm zeigt eine Ventilkurve 1 für das Auslaßventil und eine Ventilkurve 2 für das Einlaßventil. Die waagerechte Achse stellt die Zeit dar und ist in die üblichen Hübe eines Viertaktmotors unterteilt, d. h. Arbeitshub 3, Auspuffhub 4, Ansaughub 5 und Verdichtungshub 6, von denen der Auspuffhub 4 und der Ansaughub 5 zusammen den Gaswechselhub bilden. Die waagerechte Achse ist von 0 bis 720 Grad unterteilt, entsprechend zwei vollständigen Umdrehungen der Motorkurbelwelle während eines Arbeitsspiels.
Im Diagramm bezeichnet die Kurve 7 das Momentanvolumen über der Zeit, und der Punkt 8 an der Kurve gibt den oberen Totpunkt des Kolbens an (kleinstes Volumen der Brennkammer) im Gaswechselhub, wogegen der Punkt 9 den oberen Totpunkt des Kolbens in der Zündphase angibt. Das Intervall 10 gibt den Zeitraum für das Einspritzen von Kraftstoff während des Gaswechselhubes an, wodurch, wie weiter oben angegeben, die vorstehend genannten Vorteile geboten werden. Der Kraftstoff wird somit am Ende des Auspuffhubes 4 und/oder während des Beginns des Ansaughubes 5 eingespritzt, wenn der Arbeitszylinder einen hohen Anteil heißer Auspuffgase aus vorhergehender Verbrennung enthält, wodurch die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs vereinfacht wird. Das Intervall 11 gibt den Zeitraum der üblichen Kraftstoffeinspritzung am oberen Totpunkt für die Zündsituation an, die somit etwa 360 Grad später liegt. Wie die Ventilkurven 1, 2 anzeigen, besteht in diesem Fall eine bestimmte Überlappung zwischen dem Schließen des Auslaßventils und dem Öffnen des Einlaßventils. Dies kann von Motor zu Motor verschieden sein, und in einigen Fällen ist eine solche Überlappung nicht vorhanden. Der Kraftstoff wird nicht augenblicklich eingespritzt, sondern während einer bestimmten Zahl Kurbelwellenwinkelgraden, normalerweise bis maximal etwa 20 Kurbelwellenwinkelgrade. Eine bestimmte Überlappung ist ebenfalls tolerierbar zwischen dem offenen Auslaßventil und der Kraftstoffeinspritzung. d. h. die Kraftstoffeinspritzung kann begonnen werden, bevor sich das Auslaßventil geschlossen hat, ohne daß unverbrannter Kraftstoff durch das Auslaßventil entweichen kann. Die Kraftstoffeinspritzung wird zeitlich so gesteuert, daß sichergestellt ist, daß der Kraftstoff so nahe am oberen Totpunkt des Kolbens eingespritzt wird, daß kein Risiko besteht, daß Kraftstoff die Zylinderbüchse erreicht. Sollte Kraftstoff auch während eines Teils der Ansaugphase eingespritzt werden, wenn die Zylinderbüchse freiliegt, würde die sich daraus ergebende Kühlung das Potential zum Verdampfen des Kraftstoffs reduzieren. In der Praxis kann die Einspritzung daher erfolgen, solange die eingespritzten Kraftstofftropfen die Zylinderbüchse nicht erreichen und bevor sich das Einlaßventil zu weit geöffnet hat. Ein weiterer Aspekt in diesem Zusammenhang ist, daß Kraftstofftropfen an der Zylinderbüchse möglicherweise nicht vollständig in die Verbrennung einbezogen werden und dadurch unerwünschte Kohlenstoffemissionen und schlechte Kraftstoffeinsparung verursachen würden.
Die Verdampfung geschieht jedoch eine bestimmte Zeit nach dem Einspritzen, während zumindest einem Teil des Ansaughubes, und je nach Anwendung und abhängig von den Parametern geschieht zumindest einiges Verdampfen später, etwa in der Mitte der Ansaugphase.
Das Einspritzen muß so geschehen, daß der Kraftstofftropfenstrahl nach unten in einen Hohlraum im oberen Abschnitt des Kolbens gerichtet ist, so daß die Wärme des Kolbens auch zum Fördern der Verdampfung genutzt wird.
Die Verdichtung ist an den Kraftstoff angepaßt, und im Fall von Dieselöl liegt das Verdichtungsverhältnis vorzugsweise zwischen etwa 9:1 und 14:1, wogegen andere Verdichtungsverhältnisse in Fallen, wo andere Kraftstoffe verwendet werden, vorteilhafter sind.
Das im Diagramm dargestellte Beispiel bezieht sich auf eine Ausführungsform der Erfindung, in der der Kraftstoff vollständig oder nahezu vollständig am oberen Totpunkt im Gaswechselhub während des mit 10 bezeichneten Zeitraums eingespritzt wird. Bei anderen Ausführungsformen ist es möglich, nur einen Teil des Kraftstoffs während des speziellen Zeitraums 10 einzuspritzen, wogegen der übrige Kraftstoff später eingespritzt wird. In diesem Fall kann eine zweite Menge Kraftstoff vorteilhafterweise in den Zylinder im Bereich des oberen Totpunktes 9 des Kolbens am Ende des Verdichtungshubes 6 während des üblicheren Einspritzzeitraums 11 eingespritzt werden.
Die erste Menge Kraftstoff, die während des speziellen angegebenen Zeitraums eingespritzt wird, umfaßt unter allen Umständen mehr als 50% der Gesamtkraftstoffmenge, und es ist vorteilhaft, wenn sie auch mehr als 95% der Gesamtkraftstoffmenge beträgt. Daher ist die zweite Kraftstoffmenge immer weniger als 50%, vorteilhafter weniger als 5% der Gesamtkraftstoffmenge.
Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die Einleitung der Zündung in einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine genau gesteuert werden muß. Dies kann beispielsweise geschehen durch Steuern des Einlaßdruckes des Motors, der bei einem Ladermotor gleich ist mit dem Motorladedruck und/oder durch Steuern der Einlaßlufttemperatur.
Die Zündung des Kraftstoffgemischs muß durch Selbstzündung in gleicher Weise wie bei einem herkömmlichen Dieselmotor geschehen, und in dieser Hinsicht kann der Motor als Dieselmotor betrachtet werden.

Claims

Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Arbeitszylinder für eine Verbrennungskraftmaschine, in der Luft und Kraftstoff vermischt und durch Selbstzündung gezündet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen der ganze Kraftstoff in den Arbeitszylinder im Bereich des oberen Totpunktes (8) des Kolbens im Gaswechselhub (4, 5) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge des Kraftstoffs in den Arbeitszylinder im Bereich des oberen Totpunktes (8) des Kolbens im Gaswechselhub (4, 5) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Menge des Kraftstoffs in den Arbeitszylinder im Bereich des oberen Totpunktes (9) des Kolbens am Ende des Verdichtungshubes (6) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Arbeitszylinder während der Zündungsphase durch Steuern der Druckes der Einlaßluft gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Arbeitszylinder während der Zündungsphase durch Steuern der Temperatur der Einlaßluft gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff Dieselöl verwendet wird, und daß die Verdichtung im Arbeitszylinder während der Zündungsphase auf den Bereich von etwa 9:1 bis 14:1 eingestellt wird.
Anordnung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Arbeitszylinder für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in der Verbrennungskraftmaschine, Luft und Kraftstoff gemischt und durch Selbstzündung gezündet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff über eine Spritzdüse eingespritzt wird, die im Arbeitszylinder angeordnet und so ausgerichtet ist, dass sie den Kraftstoff in einen Hohlraum im oberen Abschnitt des Kolbens strahlt, so dass im Wesentlichen der ganze Kraftstoff in den Arbeitszylinder im Bereich des oberen Totpunktes (8) des Kolbens im Gaswechselhub (4, 5) eingespritzt wird.
Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einer Anordnung nach Anspruch 7.