DE10040117B4

DE10040117B4 - Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE10040117B4
Application number: DE10040117A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Betz Thomas; Dipl.-Ing. Pfaff Rüdiger; Dipl.-Ing. Stotz Marco; Dr. Wiebicke Ulrich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: DE10040117A1; US20020026922A1; US6640774B2; FR2813101A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors mit einem Zylinder (1), einem im Zylinder (1) zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) oszillierend längsverschieblich geführten Kolben (3) und einem Injektor (8) mit einem Injektorventil (18) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder (1), welches folgende Schritte umfaßt: a) Eine Homogenisierungseinspritzung (G) erfolgt im Wesentlichen während eines Saugtaktes (S). b) Nach der Homogenisierungseinspritzung (G) erfolgt während eines Kompressionstaktes (K) eine Voreinspritzung (V). c) In einem Arbeitstakt (A) erfolgt eine Haupteinspritzung (H). d) Nach der Haupteinspritzung (H) erfolgt im Arbeitstakt (A) eine Nacheinspritzung (N).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors.
Immer schärfer werdende Abgasvorschriften stellen erhöhte Anforderungen an den Betrieb von Dieselmotoren, wobei entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes, insbesondere von Ruß, CO und NO_x, nicht zu einer Verringerung der entsprechenden Motorleistung und zu einer Erhöhung des spezifischen Kraftstoffverbrauches führen sollen.
Es sind Verfahren zum Betrieb von Dieselmotoren bekannt, bei denen die Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder in eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung aufgeteilt ist. Durch die Voreinspritzung einer Teilmenge von Kraftstoff in einem Zeitraum vor dem Zünd-OT kann eine verbesserte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielt werden. Bei der anschließenden Hautpeinspritzung erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Bereich des oberen Totpunktes, wobei wenigstens eine Teilmenge davon durch die verbesserte Homogenisierung zu einer Verringerung des Schadstoffausstoßes beiträgt. Die auf die Voreinspitzung folgende Haupteinspritzung kann sich bis in den Arbeitstakt hineinziehen, wobei der während des Arbeitstaktes absinkende Druck im Zylinder eine Verringerung des Wirkungsgrades und damit einhergehend eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauches zur Folge haben kann.
Die gattungsbildende Offenlegungsschrift DE 197 47 231 A1 offenbart ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine. Dabei wird zur Senkung der Abgasemissionen eine Voreinspritzung in einem Kompressionstakt und ein Haupt- und Nacheinspritzung in einem Arbeitstakt in die Brennräume eingebracht. In Verbindung mit der Voreinspritzung ist eine Homogenisierung eines größeren Teils des Kraftstoff-Luft-Gemisches zur weiteren Senkung des Schadstoffausstoßes wünschenswert.
Die Patentschriften DE 39 36 619 A1 , DE 37 23 599 A1 , EP 0 886 050 A2 und die JP 2000-192836 A offenbaren jeweils Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff mit Vor- und Haupteinspritzung.
Die Offenlegungsschrift DE 198 10 935 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem homogenen Grundgemisch. Eine Zündung des Gemisches erfolgt mittels einer Kompressionszündung, wobei das homogene Grundgemisch mittels einer Haupteinspritzung in einem Ansaugtakt gebildet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors mit verringertem Schadstoffausstoß bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu wird vorgeschlagen, die Einspritzung in allen Betriebszuständen so spät durchzuführen, daß sie nach dem Zünd-OT beginnt, wobei das Injektorventil besonders schnell, also sprunghaft geöffnet wird. Durch die besonders schnelle Querschnittsfreigabe und dem damit einhergehenden ”scharfen” Einspritzverlauf wird eine besonders gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und damit einhergehend eine Reduzierung der Rußbildung erzielt. Unterstützt wird diese Wirkung durch einen entsprechenden Schließgradienten des Injektorventils mit einem hohen Betrag, also durch eine sprunghafte Schließung desselben. Vorteilhaft kann dieser ”scharfe” Einspritzverlauf durch eine vergrößerte Öffnung des Injektorventils und insbesondere durch einen erhöhten Einspritzdruck weiter ausgeprägt werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielbar ist. In Verbindung mit dem späten Beginn der Einspritzung im Arbeitstakt nach dem oberen Totpunkt wird die Kraftstoffverteilung im Brennraum durch einen verlängerten Zündverzug begünstigt, der aufgrund des abnehmenden Zylinderdruckes in der Expansionsphase gefördert wird. Das homogenisierte Gemisch verbrennt mit extrem hoher Geschwindigkeit, wobei kaum Ruß gebildet wird. Des weiteren ist dadurch eine Verringerung der Stickoxidemission und der Geräuschentwicklung erzielbar. Vorteilhaft wird die Einspritzung als Haupteinspritzung durchgeführt, der im Kompressionstakt eine Voreinspritzung vorausgeht. Das Öffnen des Injektorventils und zweckmäßig auch das Schließen desselben erfolgt bei der Haupteinspritzung sprunghaft mit einem höheren Gradienten als bei der Voreinspritzung. Durch das sprunghafte Öffnen und Schließen des Injektorventils bei der Haupteinspritzung werden die oben genannten Vorteile erzielt, während zusätzlich durch die Voreinspritzung die Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbessert wird.
Die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann durch eine Aufteilung der Hautpeinspritzung in mehrere Teileinspritzungen unterstützt werden. In Verbindung mit einer Abgasrückführung kann der ohnehin schon verringerte Stickoxid-Ausstoß weiter verringert werden. Die geschilderte Homogenisierung der Zylinderladung führt auch bei zunehmender Abgasrückführung nicht zu einem Anstieg der Rußbildung.
Es kann zweckmäßig sein, zusätzlich eine Nacheinspritzung im Anschluß an die Haupteinspritzung durchzuführen, wodurch die Brennraumtemperatur bzw. der HC-Gehalt im Abgas erhöht wird. In Verbindung mit einer Abgasrückführung kann dadurch die innermotorische Ruß-Nachoxidation verbessert werden.
Vorteilhaft wird vor der Voreinspritzung eine Homogenisierungseinspritzung durchgeführt, die zweckmäßig bereits während des Ansaugtaktes beginnt. Die entsprechende Kraftstoffmenge wird bei einem niedrigen Zylinderdruck eingespritzt, wodurch eine gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gefördert wird. In Verbindung mit der Voreinspritzung ergibt sich daraus des weiteren eine Verbesserung der Zündbedingungen bei der Hauptverbrennung.
Insgesamt ist durch das erfindungsgemäße Verfahren in Folge der verbesserten Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch bei einer spät erfolgenden Haupteinspritzung eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes ohne eine Wirkungsgradeinbuße erzielbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 In schematischer Darstellung einen Dieselmotor zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein schematisches Zeitdiagramm mit der Abfolge einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung,
3 ein schematisches Zeitdiagramm mit einer zusätzlichen Homogenisierungs- und Nacheinspritzung sowie einer Aufteilung der Haupteinspritzung in Teileinspritzungen.
In der schematischen Darstellung nach 1 ist ein Dieselmotor mit einem Zylinder 1 und einem Kurbelgehäuse 2 gezeigt. Im Zylinder 1 ist ein längsverschieblicher Kolben 3 gehalten, der über ein Pleuel 6 gelenkig mit einer im Kurbelgehäuse 2 gelagerten Kurbelwelle 4 verbunden ist. Die Kurbelwelle 4 ist um eine Kurbelachse 5 drehbar. Der Zylinder 1 und der Kolben 3 begrenzen einen Brennraum 9. Die Längsbeweglichkeit des Kolbens 3 ist durch einen oberen Totpunkt OT und einen unteren Totpunkt UT begrenzt. In einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT führt der Kolben 3 einen durch den Pfeil K angedeuteten Kompressionstakt und in umgekehrter Richtung einen durch den Pfeil A angedeuteten Arbeitstakt aus. Während eines vor dem Kompressionstakt liegenden Saugtaktes S (3) wird Verbrennungsluft 12 durch eine Frischluftleitung 7 in den Zylinder 1 geleitet und im anschließenden Kompressionstakt K komprimiert. Durch ein Injektorventil 18 eines Injektors 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 angeordneten Katalysator 11 abgeführt. Es ist eine Abgasrückführung 17 zur Rückführung einer Teilmenge des Abgases 13 zur Verbrennungsluft 12 vorgesehen, wobei die Abgasleitung 10 und die Frischluftleitung 7 über eine Abgasrückführungsleitung 16 miteinander verbunden sind. In der Abgasrückführungsleitung 16 ist ein Abgasrückführungs-Ventil 14 zur Einstellung der rückzuführenden Menge des Abgases 13 angeordnet.
2 zeigt schematisch den Einspritzverlauf über der Zeit t. Während des durch den unteren Totpunkt und den oberen Totpunkt begrenzten Kompressionstaktes K erfolgt eine Voreinspritzung V, bei der das Injektorventil 18 des Injektors 8 (1) um den Injektorventilhub a_v geöffnet wird. Die Öffnung des Injektorventils 18 erfolgt zu Beginn der Voreinspritzung V über einen Zeitraum t_O1. Aus dem Quotienten des Injektorventilhubes a_v und der Öffnungszeit t_O1 ergibt sich ein erster Öffnungsgradient da_O1. Vergleichbar dazu wird das Injektorventil 18 zum Ende der Voreinspritzung V über einen Zeitraum t_s1 geschlossen, wobei sich ein entsprechender erster Schließgradient dass aus dem Quotienten des Injektorventilhubes a_v und dem Schließzeitraum t_S1 ergibt. Aus dem Verlauf des Injektorventilhubes a ergibt sich ein vergleichbarer Verlauf des Massenflusses m . von Kraftstoff 15 sowie des entsprechenden Kraftstoffdruckes p. Die während der Voreinspritzung V eingespritzte Kraftstoffmenge m_v entspricht dabei dem Flächeninhalt der gezeigten Kurve.
Im Anschluß an den oberen Totpunkt OT folgt ein Arbeitstakt A. Nach dem oberen Totpunkt OT beginnt eine Einspritzung E einer Kraftstoffmenge m, die auch ohne die Voreinspritzung V durchgeführt werden kann und die im gezeigten Ausführungsbeispiel eine auf die Voreinspritzung V folgende Haupteinspritzung H ist. Der Injektorventilhub a_H während der Haupteinspritzung H und damit einhergehend der Kraftstoffdruck p sowie der Massenfluß m . des Kraftstoffes 15 ist dabei von höherem Betrage als während der Voreinspritzung V. Die Haupteinspritzung H erfolgt mit einem höheren und somit wirksamen Kraftstoffdruck p an der Injektorventilaustrittsöffnung als die Voreinspritzung V. Das Injektorventil 18 wird während eines Öffnungszeitraumes t_O2 sprunghaft geöffnet, wobei sich dabei ein zweiter Öffnungsgradient da_O2 aus dem Quotienten des Injektorventilhubes a_H und dem Öffnungszeitraum t_O2 ergibt. Der zweite Öffnungsgradient da_O2 der Hautpeinspritzung H hat einen höheren Betrag als der erste Öffnungsgradient da_O1 der Voreinspritzung V, wobei sich ein sprunghaftes Öffnen ergibt. Gegen Ende der Haupteinspritzung H wird das Injektorventil 18 über einen Schließzeitraum t_S2 geschlossen, wobei sich ein zweiter Schließgradient da_S2 aus dem Quotienten des Injektorventilhubes a_H und dem zweiten Schließzeitraum t_S2 ergibt. Der zweite Schließgradient da_S2 hat einen größeren Betrag als der erste Schließgradient dass der Voreinspritzung V. Die während der Haupteinspritzung H eingespritzte Kraftstoffmenge m_H entspricht der Fläche unter der gezeigten Kurve im Bereich der Hautpeinspritzung H.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Variante des Verfahrens nach 2, bei dem vor der Voreinspritzung V eine Homogenisierungseinspritzung G erfolgt. Im gezeigten Beispiel können die Homogenisierungseinspritzung G und die Voreinspritzung V zeitlich innerhalb der durch Balken gekennzeichneten Bereiche liegen. Sie können in unmittelbarer Folge nacheinander erfolgen. Die Homogenisierungseinspritzung G erfolgt im Wesentlichen während des dem Kompressionstakt K vorausgehenden Saugtaktes S. Nachfolgend der Voreinspritzung V erfolgt eine Haupteinspritzung H, die in einzelne Teileinspritzungen H_n aufgeteilt ist. Anschließend an die Haupteinspritzung H wird eine Nacheinspritzung N während des Arbeitstakts A durchgeführt. Die einzelnen Einspritzungen können zeitlich zueinander beabstandet oder direkt aneinander anschließend durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors mit einem Zylinder (1), einem im Zylinder (1) zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) oszillierend längsverschieblich geführten Kolben (3) und einem Injektor (8) mit einem Injektorventil (18) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder (1), welches folgende Schritte umfaßt: a) Eine Homogenisierungseinspritzung (G) erfolgt im Wesentlichen während eines Saugtaktes (S). b) Nach der Homogenisierungseinspritzung (G) erfolgt während eines Kompressionstaktes (K) eine Voreinspritzung (V). c) In einem Arbeitstakt (A) erfolgt eine Haupteinspritzung (H). d) Nach der Haupteinspritzung (H) erfolgt im Arbeitstakt (A) eine Nacheinspritzung (N).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Einspritzungen (G, V, H, N) zeitlich zueinander beabstandet oder direkt aneinander anschließend durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupteinspritzung (H) in mehrere Teileinspritzungen (H_n) aufgeteilt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des entstehenden Abgases (13) in einer Abgasrückführung (17) der Verbrennungsluft (12) zugeführt wird.