(19)
(11) EP 0 698 729 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
28.02.1996  Patentblatt  1996/09

(21) Anmeldenummer: 95116260.1

(22) Anmeldetag:  12.03.1993
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)6F02B 75/02, F02B 9/04
// F02B3:08
(84) Benannte Vertragsstaaten:
DE DK FR GB IT SE

(30) Priorität: 20.03.1992 CH 901/92

(62) Anmeldenummer der früheren Anmeldung nach Art. 76 EPÜ:
93810182.1 / 0561740

(71) Anmelder: Lars Collin Consult AB
S-43139 Mölndal (SE)

(72) Erfinder:
  • Collin, Lars Thorbjörn
    S-431 39 Mölndal (SE)

(74) Vertreter: Hepp, Dieter et al
Hepp, Wenger & Ryffel AG, Marktgasse 18
CH-9500 Wil
CH-9500 Wil (CH)

 
Bemerkungen:
This application was filed on 16 - 10 - 1995 as a divisional application to the application mentioned under INID code 60.
 


(54) Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors und Dieselmotor


(57) Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors wird der Kompressionsdruck, die Steuerung der Treibstoff-Einspritzung und die Zündung derart gesteuert, dass der maximale Gesamtdruck im Zylinder nach der Gemischzündung im wesentlichen nicht mehr ansteigt.




Beschreibung


[0001] Verfahren und Vorrichtungen zum Einspritzen und Zünden von Dieseltreibstoff in einen Verbrennungsmotor sind in Vielzahl bekannt und gebräuchlich. In der Praxis wird dabei der Treibstoff mittels einer Pumpe auf einen bestimmten Einspritzdruck gebracht und gleichzeitig das Einspritzventil geöffnet. Das Ventil kann dabei ebenso wie die Einspritzpumpe durch eine mit dem Motor synchronisierte Einrichtung betätigt werden. Es sind auch Ausführungsvarianten gebräuchlich, bei denen das Ventil in Abhängigkeit vom Treibstoffdruck automatisch öffnet, sobald ein bestimmter Druckwert überschritten wird.

[0002] In der Praxis werden Einspritzventile heute zu Beginn des Druckaufbaus durch die Einspritzpumpe geöffnet und nach Absinken des Drucks wieder geschlossen. Bei druckgesteuerten Ventilen liegt der Oeffnungswert in der Regel bei etwa 20% oder 30% des maximalen Arbeitsdrucks der Treibstoffpumpe.

[0003] Das Luft-Treibstoff-Gemisch wird sodann im Zylinder weiter komprimiert und kommt dann zur Zündung. Bei bekannten Motoren baut sich dabei unmittelbar nach dem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens im Zylinder ein Verbrennungsdruck auf, der wenigstens das 1,5 bis 2-fache des Kompressionsdrucks des Motors beträgt.

[0004] Derartige Motoren weisen einen guten Wirkungsgrad auf. Auf der anderen Seite sind Parameter, die guten Wirkungsgrad gewährleisten, häufig geeignet, schlechte Emissionswerte (vor allem NOx) hervorzurufen. Dazu gehört z.B. Temperatur, Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung, Verbrennungsdruck und Verbrennungsdauer.

[0005] Um NOx Erzeugung zu reduzieren, sind verschiedene Methoden bekannt:

[0006] Es wurde vorgeschlagen, Auspuffgase zu rezirkulieren, um die O₂ Konzentration und damit die Maximal-Temperatur zu reduzieren; es wurde vorgeschlagen, in die Ansaugluft Wasser zu sprühen, um die Kompressions-Temperatur zu reduzieren und die O₂ Konzentration zu verringern. Es wurde auch schon vorgeschlagen, den Zeitpunkt der Einspritzung zu verzögern, um im Motorzyklus die Zeit für die NOx Bildung zu verringern.

[0007] Alle diese bekannten Verfahren sind einerseits aufwendig und erfordern zusätzliche Vorrichtungen und können andererseits den Wirkungsgrad des Motors reduzieren.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei hohem Wirkungsgrad die Schadstoffemission von NOx verringert.

[0009] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe in erster Linie gemäss den Patentansprüchen gelöst.

[0010] Durch die erfindungsgemässen Massnahmen wird eine Mehrzahl von Parametern des Verbrennungsvorgangs in vorteilhafter Weise verändert:
Durch die Begrenzung des Druckanstiegs während der Verbrennung wird erreicht, dass während der Verbrennung kein druckbedingter zusätzlicher Temperaturanstieg bzw. eine Temperaturüberhöhung stattfindet, wodurch vor allem die Erzeugung von NOx wesentlich verringert wird. Statt eines scharfen Druck- und Temperaturanstiegs bei Beginn der Energiefreigabe erfolgt ein kontrollierter Verbrennungsvorgang im Zylinder, der durch gleichzeitige Volumenvergrösserung bei Absenkung des Kolbens eine etwa konstante oder vorteilhafter Weise sogar leicht abfallende Druckkurve ermöglicht. Dies bedingt höhere Verdichtung des Motors, wobei sich vor allem Verdichtungsverhältnisse von 1:16 bis 1:20, vorzugsweise 1:18 bis 1:20 und/oder eine Verdichtung auf 175 oder 180 bar bewährt haben. Der Motor wird dabei auf diese hohen Verdichtungswerte verdichtet und es wird in der Expansionsphase der Zündvorgang herbeigeführt.

[0011] Gleichzeitig ist erfindungsgemäss vorgesehen, den Treibstoff erst in den Verbrennungsraum einzuspritzen, wenn der Treibstoffdruck wenigstens 75% und vorteilhaft zwischen etwa 80% und 90% seines maximalen Einspritzdrucks erreicht hat. Dies bewirkt eine Verkürzung der Einspritzdauer, bessere Verteilung des Treibstoffs in kleineren Tröpfchen und dadurch eine schnellere Vergasung des Treibstoffs. Dies wiederum führt zu homogenen Verhältnissen im Brennraum und gewährleistet gleichmässige Verbrennung. Das verbrennbare Gemisch wird in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne erzeugt. Ausserdem wird die Verzögerung für Vorverbrennungs-Reaktionen zwischen den Kohlenwasserstoffen und dem Sauerstoff verkürzt und die Verbrennung optimiert. Wesentliche Verbesserung lässt sich dabei bereits erreichen, wenn das Ventil erst geöffnet wird, wenn der Treibstoff-Druck wenigstens 80% seines maximalen Einspritzdrucks erreicht hat.

[0012] Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
die schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Verbrennungsmotor,
Figur 2
den Verlauf der Ventilöffnung in Abhängigkeit vom Treibstoffdruck,
Figur 3
die schematische Darstellung des Druckverlaufs im Verbrennungsraum des Dieselmotors zum Zeitpunkt der Zündung und
Figur 4
ein Diagramm mit Vergleichswerten von NOx-Anteil im Abgas eines Verbrennungsmotors bei verschiedenen Betriebsbedingungen.


[0013] Wie in Figur 1 schematisch dargestellt ist, wird durch ein Einspritzventil 1 Treibstoff dem Verbrennungsraum 2 eines schematisch dargestellten Dieselmotors zugeführt. Das Einspritzventil 1 wird durch eine Steueranordnung 3 im gewünschten Zeitpunkt des Verbrennungszyklus geöffnet. Das Einspritzventil 1 wird von einer Pumpe 4 mit Treibstoff versorgt, wobei die Pumpe 4 ebenfalls in Abhängigkeit vom Kurbelwellen-Winkel bzw. vom jeweiligen Zeitpunkt des Motor-Zyklus gesteuert wird. Der durch die Pumpe 4 erzeugte Treibstoffdruck beträgt maximal etwa 1000 bis 1500 atm (Atmosphären).

[0014] (Der Maximaldruck schwankt bei verschiedenen Motorentypen von ca. 200 atm bis 1700 atm. In gleicher Weise kann die Anstiegscharakteristik der Treibstoff-Druckkurve variieren.)

[0015] Der Verlauf des Treibstoff-Drucks ist in Figur 2 dargestellt. Während bei herkömmlichen Dieselmotoren das Einspritzventil zu Beginn des Druckaufbaus durch die Pumpe 4 öffnet (spätestens bei 200 - 300 atm), ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass das Einspritzventil 1 erst zum Zeitpunkt T1 öffnet, wenn der am Einspritzventil anliegende Treibstoffdruck bereits etwa 1000 atm, d.h. etwa 83 % des Maximaldrucks von ca. 1200 atm erreicht hat. Durch den hohen Druck wird der Dieseltreibstoff mit ausserordentlich hoher Geschwindigkeit und vor allem mit kleinstem Tröpfchendurchmesser in den Verbrennungsraum 2 eingespritzt, so dass der Verbrennungsablauf optimiert und vor allem auch verkürzt wird. Das Einspritzventil 1 schliesst wieder bei T2, wobei der Treibstoffdruck immer noch ca. 900 - 950 atm, also über 70 % des Maximaldrucks beträgt. Dies gewährleistet, dass nicht in der Schliessphase noch grosse Treibstoff-Tropfen eingespritzt werden, welchen den Verbrennungsablauf in dieser Phase beeinträchtigen können. Unabhängig vom spezifischen Maximaldruck eines bestimmten Motor-Typs wird durch die relative Anhebung des Drucks während der Einspritzphase das Schadstoffverhalten des Motors verbessert.

[0016] Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass der Druckanstieg im Verbrennungsraum eines erfindungsgemäss betriebenen Motors bis zum Zeitpunkt der Zündung kontinuierlich erfolgt und allmählich abflacht. Der Zündzeitpunkt tz ist relativ spät, so dass die Expansion der gezündeten Gaswolke in die Expansionsphase des Motors fällt. Dadurch wird erreicht, dass nach der Zündung kein wesentlicher Druckanstieg erfolgt, wodurch zusätzliche Erhitzung durch Druckzunahme während der Verbrennung vermieden wird. Auf diese Weise lässt sich optimal einfach der Schadstoffausstoss, vor allem der NOx-Anteil im Abgas drastisch reduzieren. Dies lässt sich mit einfachen Mitteln erreichen: der Kompressionsdruck des Motors muss auf einen Wert erhöht werden, der die späte Zündung und die Gasausdehnung in der Expansionsphase des Motors ermöglicht. Es müssten also lediglich die wichtigsten Verbrennungsparameter, wie Kompressionsdruck, Einspritzung des Treibstoffs und Zündung derart gesteuert werden, dass der Gesamtdruck im Zylinder bestehend aus Kompressionsdruck und Verbrennungsdruck den maximalen Kompressionsdruck nicht wesentlich übersteigt, dass also keine weitere Druckzunahme nach der Zündung erfolgt. Ein leichter Anstieg, z.B. um 10% lässt sich dabei manchmal nicht vermeiden. Besonders optimal ist es aber, wenn vom Zeitpunkt der Zündung an der Druck im Verbrennungsraum nicht mehr ansteigt sondern möglichst sogar etwas abfällt, wie dies im Diagramm gemäss Figur 3 gezeigt ist.

[0017] Figur 4 zeigt einen Vergleichstest an einem konventionellen Dieselmotor. Der Motor wurde bei verschiedenen Drehzahl/Lastverhältnissen 1 bis 8 betrieben und dabei wurde der NOx-Ausstoss in Gramm NOx/kWh gemessen und aufgetragen. Die oberste Kurve zeigt den Test 1, bei dem der Motor ohne Veränderung betrieben wurde. Der Oeffnungsdruck des Einspritzventils beträgt dabei 280 atm; die Einspritzung beginnt bei 20° vor OT Druck aufzubauen und das Verdichtungsverhältnis beträgt 1:13.

[0018] Beim zweiten Test wurden die ersten beiden Parameter gleichgelassen und lediglich das Verdichtungsverhältnis auf 1:16 erhöht. Ersichtlicherweise ist dabei bereits eine Abnahme des NOx-Gehalts zu verzeichnen.

[0019] Beim dritten Test ist der Einspritzdruck immer noch bei 280 atm; jetzt beginnt jedoch die Einspritzung erst bei 14° vor OT Druck aufzubauen und im Bereich von OT einzuspritzen. Dadurch wird der Zeitpunkt der Zündung so verschoben, dass die Verbrennung in die Expansionsphase des Motors fällt. Bei diesem Test findet keine Druckzunahme im Zylinder nach der Zündung statt. Das Verdichtungsverhältnis beträgt 1:18.

[0020] Beim untersten und letzten Test wurde der Zeitpunkt der Einspritzung und das Verdichtungsverhältnis des Tests 3 übernommen. Der Oeffnungsdruck des Ventils wurde aber auf 900 atm angehoben, was ersichtlicherweise noch einmal eine Absenkung des NOx-Ausstosses bewirkt.

[0021] Wie das Diagramm gemäss Figur 4 ergibt, lässt sich auf einfachste Weise und ohne grosse Aenderungen am Motor eine Reduzierung des NOx-Ausstosses auf etwa den halben Wert erreichen. Dabei wurde nur ein unwesentlicher, in der Praxis zu vernachlässigender Anstieg des Verbrauchs beobachtet.


Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors

- mit einer Treibstoff-Einspritzanordnung mit einem Verdichtungsverhältnis von wenigstens 1:16 bis 1:20 und vorzugsweise von etwa 1:18,

- und einer Einrichtung zum Steuern des Zeitpunkts der Einspritzung, bzw. der Zündung und des Einspritzdrucks,

- wobei der maximale Treibstoffdruck etwa 1'000 bis 1'500 bar beträgt und der Treibstoff erst in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, wenn der Treibstoffdruck wenigstens 75% seines maximalen Einspritzdrucks erreicht hat,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Einspritzung, der Kompressionsdruck des Motors und die Zündung so gesteuert wird, dass die Expansion der gezündeten Gaswolke in die Expansionsphase des Motors fällt,

- wobei der Treibstoff im Zylinder bei einem aus Kompressionsdruck und Verbrennungsdruck bestehendem Gesamtdruck verbrannt wird, der den beim Einsetzen der Verbrennung bestehenden Kompressionsdruck nicht übersteigt.


 
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoff erst bei wenigstens 80% seines Maximaldrucks eingespritzt wird.
 
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Gesamtdruck im Zylinder nach dem Zündvorgang im wesentlichen abfällt.


 
4. Dieselmotor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1

- mit einer Treibstoff-Einspritzanordnung, mit einem Treibstoffdruck von etwa 1'000 bis 1'500 bar,

- und mit einer Einrichtung zum Steuern des Zeitpunkts der Einspritzung bzw. der Zündung sowie des Einspritzdrucks zum Einspritzen des Treibstoffs nach Erreichen von wenigstens 75% des maximalen Einspritzdrucks,

- mit einem Verdichtungsverhältnis von wenigstens 1:16 bis 1:20, vorzugsweise von etwa 1:18,

- wobei die Einspritzung, bzw. die Zündung in einem solchen Zeitpunkt stattfindet, dass die Expansion der gezündeten Gaswolke in die Expansionsphase des Motors fällt, wobei der Treibstoff im Zylinder bei einem aus Kompressionsdruck und Verbrennungsdruck bestehenden Gesamtdruck verbrannt wird, der den beim Einsetzen der Verbrennung bestehenden Kompressionsdruck nicht übersteigt.


 




Zeichnung













Recherchenbericht