[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 NO
x) hervorzurufen. Dazu gehört z.B. Temperatur, Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung,
Verbrennungsdruck und Verbrennungsdauer.
[0005] Um NO
x 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 NO
x 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 NO
x 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 NO
x 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 NO
x-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 NO
x-Ausstoss in Gramm NO
x/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 NO
x-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 NO
x-Ausstosses bewirkt.
[0021] Wie das Diagramm gemäss Figur 4 ergibt, lässt sich auf einfachste Weise und ohne
grosse Aenderungen am Motor eine Reduzierung des NO
x-Ausstosses auf etwa den halben Wert erreichen. Dabei wurde nur ein unwesentlicher,
in der Praxis zu vernachlässigender Anstieg des Verbrauchs beobachtet.
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.