DE10033597A1 - Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors - Google Patents

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 t_H 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 t_Z. Zwischen dem Homogenisierungszeitraum t_H und dem Zündzeitraum t_Z ist ein Voreinspritzungszeitraum t_V angeordnet. Nachfolgend an den Zündzeitraum t_Z liegt ein Nacheinspritzungszeitraum t_N. 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 t_H verteilt. Der Homogenisierungseinspritzung H folgt im Zündzeitraum t_Z eine Zündeinspritzung Z. Die Gesamtmenge M des eingespritzten Kraftstoffes 15 (Fig. 1) ist dabei in die Hauptmenge M_H und die kleinere Zündeinspritzmenge M_Z aufgeteilt.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Variante des Verfahrens erfolgt die Homogenisierungseinspritzung H während des Homogenisie­ rungszeitraumes t_H kontinuierlich mittels eines Injektors 8 mit einer direktgesteuerten Düsennadel. Darauffolgend fin­ det während eines Voreinspritzungszeitraumes t_V eine Vor­ einspritzung V statt. Die Zündung im Zündzeitraum t_Z 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 M_N 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 (M_H, M_V, M_Z) zusammen; die zusätzliche Nacheinspritzungsmenge M_N 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 t_H erfolgt im wesentli­ chen keine Wärmefreisetzung im Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 (Fig. 1), so daß in diesem Zeitbereich der Energiegehalt E durch die Kompressionsenergie E_K bestimmt ist. Der Energie­ bedarf für die Selbstzündung ist durch die Linie E_S gekenn­ zeichnet. Die Kompressionsenergie E_K bleibt unterhalb der Linie Es; das Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 ist also nicht selbst zündfähig. Im Voreinspritzungszeitraum t_V erfolgt eine Voreinpritzung V (Fig. 4, Fig. 5) mit einer Wärmefrei­ setzung E_V, wodurch der Energiegehalt E geringfügig unter dem Energiebedarf für die Selbstzündung E_S liegt, ohne daß Selbstzündung stattfindet. Im Zündzeitraum t_Z wird eine zu­ sätzliche Zündenergie E_Z zugefügt, wodurch der Energiege­ halt E größer als der Energiebedarf für Selbstzündung E_S ist und eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches 9 statt­ findet. Die Hinzufügung der Zündenergie E_Z 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 (t_H), der während des Kompressionstaktes (K) endet, wird in einer Ho­ mogenisierungseinspritzung (H) zeitlich verteilt eine Hauptmenge (M_H) 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 (t_Z) erfolgt eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (9) durch Hinzufügung einer zusätzlichen Zündenergie (E_Z).

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 (E_Z) mit­ tels eines elektrisch betriebenen Aktuators (16) hinzu­ gefügt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergie (E_Z) durch Einspritzen einer zusätzlichen Zündkraftstoffmenge (M_Z) bei einer Zündeinspritzung (Z) hinzugefügt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Homogenisierungszeit­ raum (t_H) 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 (t_H) und dem Zündzeitraum (t_Z) liegenden Voreinspritzungszeitraum (t_V) eine Vorein­ spritzung (V) einer Voreinspritzmenge (M_V) von Kraft­ stoff (15) erfolgt, wobei bei der Voreinspritzung (V) eine Wärmefreisetzung (E_V) ohne Zündung des Kraftstoff- Luft-Gemisches erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zündzeitraum (t_Z) in einem Nacheinspritzungszeitraum (t_N) eine Nachein­ spritzung (N) einer Nacheinspritzungsmenge (M_N) 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.