DE60002255T2

DE60002255T2 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE60002255T2
Application number: DE60002255T
Authority: DE
Inventors: Thomas Tsoi-Hei-Ma
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: GB9909872D0; EP1048833B1; GB2349419A; EP1048833A2; US6305364B1; EP1048833A3; DE60002255D1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine und ihre Anwendung sowohl auf Benzin- als auch auf Dieselmotoren.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Kraftstoff durch Vorwärmen des Kraftstoffes aufzubereiten, bevor er in die Brennräume eines Motors eingespritzt wird. Bisher wurde das dadurch bewerkstelligt, daß die in den Gasen in externen AGR-Systemen (Abgasrückführungssystemen o. EGR) vorhandene Wärme genutzt wurde, indem der Kraftstoff in die vom Auslaß- zum Einlaßsystem führende AGR-Leitung eingespritzt wurde. Dies konnte aber nur mit zusätzlichen Mitteln erreicht werden, wie z. B. mittels einer Kraftstoffeinspritzdüse und einer Mischkammer im Abgasrückführungssystem.
JP-10103094 stellt einen Mehrzylindermotor mit einem AGR-System, bei dem Gase durch Öffnen der Auslaßventile während des Ansaugtaktes zurückgeführt werden. Der hohe Anteil heißer Abgase erhöht die Temperatur der Einlaßcharge, und dadurch wird der Kraftstoff aufbereitet, so daß die Verbrennung von normalerweise nicht brennbarem aber kostengünstigerem Schweröl ermöglicht wird.

Aufgabe der Erfindung

Die vorliegende Erfindung versucht, sich einen Vorgang zunutze zu machen, der normalerweise in herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotoren abläuft, um die Kraftstoffaufbereitung zu verbessern und mehr reaktionsfähige Radikale in der Einlaßcharge zu Beginn der Verbrennung zu erzeugen, um so die Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu erhöhen.

Zusammenfassung der Erfindung

Einem Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Viertakt-Verbrennungsmotor mit einem variablen Ventilsteuersystem gestellt, das zumindest unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen derart wirksam ist, daß es die Dauer der Ventilüberschneidung verlängert, in welcher die Einlaß- und Auslaßventile gleichzeitig offen sind, so daß die interne Abgasrückführung verstärkt wird, und mit einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Kraftstoffeinspritzdüsen zur Zumessung von Kraftstoff in die Motorzylinder, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Ventilsteuersystem derart wirksam ist, daß es die Dauer der Ventilüberschneidung am Ende des Auslaßtaktes erhöht, so daß am Ende jedes Verbrennungszyklus eine erhebliche Menge heißer Abgase zurück in den Ansaugtrakt gedrückt wird, und daß Mittel zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzdüsen derart vorgesehen sind, daß im wesentlichen der gesamte eingespritzte Kraftstoff während der verlängerten Ventilüberschneidungsperiode direkt in den Rückstrom von intern zurückgeführten AGR-Gasen eingespritzt wird, um so den Kraftstoff durch die internen AGR-Gase thermisch aufzubereiten, bevor der Kraftstoff zu Beginn des folgenden Ansaugtaktes in den Brennraum eintritt.
Zur Bestimmung des optimalen Zeitpunktes für die Kraftstoffeinspritzung in die Einlaßöffnung ist bisher versucht worden, den Zeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung in bezug auf den Arbeitszyklus des Motors zu variieren. Bei diesen Versuchen ist festgestellt worden, daß, wenn Kraftstoff bei geschlossenen Einlaßventilen in die Einlaßöffnungen eingespritzt wird, sich dieser Kraftstoff an den heißen Wänden der Einlaßöffnungen ablagert und dort aufgewärmt und so aufbereitet wird, bevor er in den Motor angesaugt wird. Daraus ergab sich eine zuverlässigere Zündung und vollständigere Verbrennung. Wenn Kraftstoff in die Einlaßkanäle eingespritzt wird, während die Ansaugventile offen sind, hat sich dagegen gezeigt, daß die resultierende Verbrennung nicht zufriedenstellend ist, und zwar wegen ungenügender Vermischung und weniger zuverlässiger Zündung. In diesem Falle hat der Kraftstoff nur wenig Zeit, sich aufzuwärmen, und wird von der Ansaugluft mitgerissen und an den Wänden des Brennraumes abgelagert.
Bei der Erprobung aller möglichen Einspritzzeitpunkte ist anzunehmen, daß auch versucht wurde, Kraftstoff während der sehr kurzen Ventilüberschneidungszeit einzuspritzen. Da diese Periode jedoch in der Regel deutlich kürzer als die Kraftstoffeinspritzperiode ist, sind die mit der vorliegenden Erfindung erzielten vorteilhaften Effekte bislang nicht erkannt worden. Der wichtigste zu verzeichnende Unterschied ist, daß bei der vorliegenden Erfindung besondere Schritte unternommen werden müssen, um die Ventilüberschneidungsperiode zu verlängern, um zu gewährleisten, daß im wesentlichen die gesamte eingespritzte Kraftstoffmenge so eingespritzt werden kann, daß sie während der Ventilüberschneidungsperiode in die heißen AGR-Gase eingespritzt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kraftstoffeinspritzdüsen in den Einlaßöffnungen des Motors angeordnet.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Kraftstoffeinspritzdüsen in den Brennräumen angeordnet und zeitlich so eingestellt, daß sie im wesentlichen den gesamten Kraftstoff direkt in die Restgase einspritzen, und daß Mittel vorgesehen sind, die während der Ventilüberschneidungsperiode ein Druckgefälle von den Auslaßöffnungen zu den Einlaßöffnungen hin erzeugen, um sicherzustellen, daß der eingespritzte Kraftstoff nicht durch die offenen Auslaßventile wieder aus den Brennräumen entweicht.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß der Kraftstoff direkt in die Brennräume eingespritzt wird, statt in die Einlaßöffnungen. Aus diesem Grunde müssen besondere Schritte unternommen werden, die Drücke in den Ansaug- und Auslaßkanälen so zu steuern, daß sichergestellt wird, daß der eingespritzte Kraftstoff im Brennraum bleibt und nicht durch die offenen Auslaßventile entweichen kann, bevor er verbrannt worden ist.
In beiden Ausführungsformen zielt die Erfindung darauf ab, die thermische Aufbereitung des eingespritzten Kraftstoffes dadurch zu erreichen, daß gewährleistet wird, daß er durch die heißen Verbrennungsgase aus dem vorangehenden Arbeitszyklus erwärmt wird, bevor der nächstfolgende Ansaugtakt einsetzt, so daß die Zündwilligkeit des Kraftstoffes im folgenden Arbeitszyklus verbessert wird. Dies kann dazu verwendet werden, eine störfestere Zündung im Magerverbrennungsbetrieb zu erzielen, oder um eine Selbstzündung in mittleren und niedrigen Lastbedingungen zu fördern, um so die NOx-Emissionen zu senken.
Die Mittel zur Gewährleistung eines ausreichenden Druckgefälles von den Auslaßöffnungen zu den Einlaßöffnungen hin können in einer Einlaßdrosselklappe bestehen, welche den Einlaßluftstrom begrenzt und den Druck in den Einlaßöffnungen senkt. Alternativ dazu können die Mittel auch eine Auslaßdrosselklappe sein, welche den Abgasstrom begrenzt und den Druck in den Auslaßöffnungen erhöht. Als weitere Alternative können auch eine Ansaugdrossel und eine Abgasdrossel in Kombination verwendet werden.
Die Erfindung läßt sich sowohl auf Benzin als auch auf Dieselkraftstoff anwenden und ist vorteilhaft bei der thermischen Aufbereitung von Kraftstoff durch die im Zylinder zurückbleibenden heißen Restgase, so daß die Zündwilligkeit des Kraftstoffes erhöht wird, wenn dieser in dem unmittelbar folgenden Motorzyklus verbrannt wird.
Bei einem fremdgezündeten Motor wird das Magerbrennvermögen des Motors deutlich erhöht, woraus sich ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch und geringere Abgasemissionen ergeben.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann der Kraftstoff ausreichend vorbehandelt werden, um eine Selbstzündung zu erreichen, ohne dabei auf einen Zündfunken angewiesen zu sein, wenn der Kraftstoff mit Luft vermischt und im unmittelbar folgenden Kompressionshub verdichtet wird. Diese Verbrennungsart, die bei Honda Aktivradikalverbrennung (ARC - active radical combustion) genannt wird, vorgemischte Chargen-Kompressionszündung (PCCI - premixed charge compression ignition) bei Toyota, oder Homogenchargen- Kompressionszündung (HCCI - homogenous charge compression ignition) im Falle des Southwest Research Institute, unterscheidet sich von der Fremdzündung in herkömmlichen Benzinmotoren oder der Kompressionszündung im herkömmlichen Dieselverfahren dadurch, daß sich die gesamte Zylindercharge spontan und gleichzeitig entzündet, woraus sich ein extrem niedriger NOx-Emissionsgrad ergibt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des ersten Aspektes der Erfindung, und
Fig. 2: eine ähnliche Ansicht einer Ausführungsform des zweiten Aspektes der Erfindung.

Beschreibung der Zeichnungen im einzelnen

Fig. 1 zeigt einen Zylinder eines Viertakt-Verbrennungsmotores mit einem Kolben 12 und einem Brennraum 10. Durch eine Ansaugleitung 24 mit einer Schmetterlingsdrosselklappe 34 darin wird Luft in den Brennraum eingeleitet, und Kraftstoff wird der Einlaßcharge mittels einer Kraftstoffeinspritzdüse 30 zugegeben, die so angeordnet ist, daß sie den Kraftstoff in die Einlaßöffnung einspritzt. Über eine Abgasleitung 26 werden die Gase aus dem Brennraum 10 entlassen. Die Einlaß- und Auslaßtakte werden jeweils von Einlaß- und Auslaßventilen 14 und 16 gesteuert, die ihrerseits wieder von einem variablen Ventilsteuersystem betätigt werden. Das Ventilsteuersystem kann in seiner einfachsten Form von getrennten Nockenwellen zur Betätigung der Einlaß- und Auslaßventile gebildet sein, und von einem Phasenverstellmechanismus zur Vorverstellung oder Spätverstellung der beiden Nockenwellen zueinander und zum Viertaktmotorzyklus.
Die Ausführungsform in Fig. 2 ist im wesentlichen die gleiche wie in Fig. 1, und zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Die Hauptunterschiede bestehen darin, daß statt der Kraftstoffeinspritzdüse 30 in der Ansaugöffnung eine Kraftstoffeinspritzdüse 32 in den Zylinder vorgesehen ist, und daß eine zweite Schmetterlingsdrosselklappe 36 in der Abgasleitung angeordnet ist, um den Rückstaudruck der Abgase zu erhöhen.
Im Betrieb wird im unteren und mittleren Betriebsbereich das Ventilsteuersystem des Motors so eingestellt, daß die Ventilüberschneidungsperiode verlängert wird, d. h. der Zeitraum, in dem wie in den Zeichnungen dargestellt das Einlaßventil 14 und das Auslaßventil 16 gleichzeitig geöffnet sind, während sich der Kolben 12 aufwärts zu seiner oberen Totpunktstellung bewegt. Im Falle der Ausführungsform in Fig. 1 zwingt der hohe Druck im Brennraum am Ende des vorangehenden Zyklus in Verbindung mit dem niedrigen Druck an der Einlaßöffnung, der durch die Drosselklappe 34 bewirkt wird, Abgase zurück in die Ansaugöffnung. In der Erfindung ist die Kraftstoffeinspritzdüse 30 so eingestellt, daß sie sich in dem Moment öffnet und Kraftstoff in die Einlaßöffnung einspritzt, wenn die Öffnung mit dem Rückstaustrom heißer AGR-Gase gefüllt ist, die dann den Kraftstoff aufwärmen und so aufbereiten. Im weiteren Verlauf des Ansaugtaktes werden diese AGR-Gase dann zusammen mit dem in ihnen enthaltenen Kraftstoff wieder in den Brennraum gesaugt, und dahinter wird Frischluft angesaugt. Je nach der Konstruktion des Einlaßsystems und der Brennraumgestaltung können die Kraftstoff enthaltenden AGR-Gase entweder homogen mit der Einlaßluftcharge vermischt sein, oder von dieser getrennt gehalten werden, wenn die Charge geschichtet ist.
Bei der Ausführungsform in Fig. 2 wird der Kraftstoff während der Ventilüberschneidungsperiode direkt in den Brennraum eingespritzt, und es besteht die Gefahr, daß ein Teil des Kraftstoffes beim Aufwärtshub des Kolbens durch das offene Auslaßventil 16 entweicht. Um diese Tendenz zu mindern bzw. auszuschalten, kann der Unterdruck genutzt werden, der durch die Drosselklappe 34 in der Ansaugöffnung erzeugt wird, vorgezogen wird jedoch, zusätzlich den Druck in der Auslaßöffnung zu erhöhen, indem die Drosselklappe 36 teilweise geschlossen wird und so den Abgasrückstaudruck erhöht.

Claims

1. Viertakt-Brennkraftmaschine mit einem variablen Ventilsteuersystem, das derart wirksam ist, daß es zumindest unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen die Ventilüberschneidungsperiode verlängert, in welcher die Einlaßventile (14) und Auslaßventile (16) gleichzeitig geöffnet sind, um so die interne Abgasrückführung zu verstärken, und mit einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Kraftstoffeinspritzdüsen (30) zur Zumessung von Kraftstoff in die Motorzylinder, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Ventilsteuersystem derart wirksam ist, daß es die arn Ende des Auspufftaktes auftretende Ventilüberschneidungsperiode verlängert, so daß eine erhebliche Menge heißer Abgase am Ende jedes Verbrennungstaktes zurück in die Einlaßöffnungen gedrückt wird, und daß Mittel zur Steuerung der Steuerzeiten der Kraftstoffeinspritzdüsen derart vorgesehen sind, daß im wesentlichen der gesamte eingespritzte Kraftstoff während der verlängerten Ventilüberschneidungsperiode direkt in den Rückstrom von internen AGR-Gasen eingespritzt wird, um so den Kraftstoff durch die heißen internen AGR- Gase thermisch aufzubereiten, bevor der Kraftstoff zu Beginn des darauffolgenden Ansaugtaktes in den Brennraum eingeleitet wird.

2. Viertaktmotor nach Anspruch 1, worin die Kraftstoffeinspritzdüsen (30) an den Motoreinlaßöffnungen angeordnet sind.

3. Viertaktmotor nach Anspruch 1, worin die Kraftstoffeinspritzdüsen (32) in den Brennräumen angeordnet und so eingestellt sind, daß sie im wesentlichen den gesamten Kraftstoff direkt in die Restgase einspritzen, und worin Mittel (34, 36) zur Erzeugung eines Druckgefälles während der Ventilüberschneidungsperiode von den Auslaßöffnungen zu den Einlaßöffnungen hin vorgesehen sind, um sicherzustellen, daß der eingespritzte Kraftstoff nicht durch die offenen Auslaßventile (16) aus den Brennräumen entweicht.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, worin die Mittel zur Erzeugung eines Druckgefälles von den Auslaßöffnungen zu den Einlaßöffnungen hin eine Abgasdrosselklappe (36) zur Begrenzung des Abgasstromes und zur Erhöhung des Druckes an den Auslaßöffnungen beinhalten.

5. Brennkraftmaschine nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin eine Einlaßdrosselklappe (34) zur Drosselung des Einlaßluftstromes und Senkung des Druckes an den Einlaßöffnungen vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin die Brennkraftmaschine ein fremdgezündeter Motor ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, worin der Kraftstoff ausreichend aufbereitet wird, um sich spontan zu entzünden, wenn er mit Luft vermischt und im unmittelbar folgenden Verdichtungshub verdichtet wird.

8. Brennkraftmaschine nach einem beliebigen der Ansprüche 3 und 4, worin die Brennkraftmaschine ein kompressionsgezündeter Motor ist.