DE102006028639A1

DE102006028639A1 - Verfahren zum Vorwärmen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE102006028639A1
Application number: DE200610028639
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel; Matthias Burger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Ein Verfahren zum Vorwärmen von Kraftstoff, der mit wenigstens einer Kraftstoffeinspritzdüse in wenigstens einen Brennraum (110) eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird, nachdem er mit wenigstens einer Heizeinrichtung (135, 150) vorgewärmt wurde, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff auf eine der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechende Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Vorwärmen von Kraftstoff nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 9 sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10.
Die Einhaltung von Schadstoff- und Geräuschemissionsgrenzwerten ist bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren von entscheidender Bedeutung. Die Gemischbildung beeinflusst sowohl die Entstehung von Schadstoff als auch die bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgeräusche.
Zur Reduktion der Schadstoff- und Geräuschemission sind Verfahren und Vorrichtungen zum Vorwärmen des Kraftstoffs vor der Einspritzung bekannt. Durch eine solche Vorwärmung wird die Verdunstung des flüssigen Kraftstoffs beschleunigt. Dies führt im Falle einer Saugrohreinspritzung zu wesentlich geringeren Kohlenwasserstoffemissionen. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind beispielsweise aus der WO 00/50763 sowie aus der US 2001/0040187 bekannt.
Bei atmosphärischen oder geringen Gegendrücken, wie sie im Saugrohr oder im Abgastrakt von Verbrennungsmotoren existieren, kann zudem ein so genannter „Flash-Boiling"-Effekt ausgenutzt werden, wie es beispielweise in der US 2004/0154287 offenbart ist. Hierbei wird der Brennstoff unter Druck überhitzt. Während der Einspritzung siedet der Kraftstoff spontan und es kommt zu einer extremen Feinzerstäubung des Kraftstoffs. Dieser Effekt tritt allerdings nur bei geringen Gegendrücken auf. Bei einer Direkteinspritzung ist jedoch im Gegensatz beispielsweise zur Saugrohreinspritzung mit hohen Gegendrücken zu rechnen. Ein Sieden des Kraftstoffs ist hierbei nicht möglich, da der kritische Druck des Kraftstoffs bei diesen Druckverhältnissen überschritten ist. In diesem Fall tritt eine Tropfenverdunstung auf. Nur bei überkritischen Kraftstofftemperaturen findet ein nahezu spontaner Phasenübergang statt. Aus diesem Grunde müsste der Kraftstoff auf eine überkritische Temperatur vorgewärmt werden, wie dies beispielsweise in der EP 0790395 A2 beschrieben ist. Eine solche Aufwärmung auf eine überkritische Temperatur ist sowohl aufgrund des hohen Energiebedarfs als auch aus materialtechnischer Sicht nicht möglich. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die meisten Kraftstoffsorten bei derart hohen Temperaturen gecrackt werden, das heißt chemische Umwandlungsprozesse stattfinden. Dies führt innerhalb des Einspritzsystems von Verbrennungsmotoren zu Funktionsstörungen und zu Verschleiß.
Die Bestimmung der Vorwärmtemperatur auf die oben beschriebene Weise kann beispielsweise mit Hilfe eines Computerprogramms erfolgen, das in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine implementiert ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Aufwärmung des Kraftstoffs auf eine der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechende Vorwärmtemperatur ein Optimum zwischen thermischer Energie, die dem Kraftstoff zugeführt werden muss und einer Verkürzung der Verdunstungszeit realisierbar ist. Die der Gleichgewichtstemperatur entsprechende Vorwärmtemperatur des Kraftstoffs wird dabei mit Hilfe von Zustandsgleichungen für einen gewissen Kraftstofftyp auf nachfolgend beschriebene Weise bestimmt, wobei unter Gleichgewicht hier ein Energiegleichgewicht der Tropfen zu verstehen ist, in dem der Kraftstofftropfen zugeführte Wärmestrom genau so groß ist wie der abdampfende Energiestrom.
Eine Abweichung von der Gleichgewichtstemperatur würde bei einem Unterschreiten zu einer starken Zunahme der Tropfenverdunstungszeit führen, während der zusätzliche Nutzen bei einem Überschreiten der Gleichgewichtstemperatur verhältnismäßig gering wäre. Durch die gezielte Aufheizung des Kraftstoffs auf eine der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechende Vorwärmtemperatur wird die Tropfenverdunstungszeit jedoch stark reduziert. Dies ist insbesondere bei einer Direkteinspritzung des Kraftstoffs von großem Vorteil, da hierdurch eine schnelle und intensive Gemischbildung stattfindet. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die vorgewärmten Kraftstofftropfen zu einer geringeren lokalen Abkühlung der Gasphase führen als das bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren innerhalb des Kraftstoffstrahls beobachtet werden kann. Hierdurch wird nicht nur die Verdunstung, sondern auch der Reaktionsfortschritt und der Reaktionsbeginn begünstigt. Generell wird durch das Vorwärmen des Kraftstoffs auf eine der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechende Vorwärmtemperatur eine schnellere Homogenisierung des Kraftstoffgemischs realisiert, die einen verminderten Rußausstoß und eine verminderte Stickoxidbildung zur Folge hat. Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird darüber hinaus das Verbrennungsgeräusch durch Verkürzung des Zündverzugs wesentlich reduziert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf den unabhängigen Anspruch rückbezogenen Unteransprüche.
So wird die Vorwärmtemperatur zweckmäßigerweise abhängig von dem im Brennraum herrschenden Druck und der im Brennraum herrschenden Temperatur bestimmt.
Da der Brennraumdruck und die Brennraumtemperatur von dem Einspritzzeitraum und der Kühlwassertemperatur maßgeblich beeinflusst werden, sieht eine vorteilhafte Ausfüh rungsform vor, die Vorwärmtemperatur abhängig von dem Einspritzzeitpunkt und der Kühlwassertemperatur zu bestimmen.
Sofern ein Abgasrückführsystem vorgesehen ist, wie dies beispielsweise bei direkteinspritzenden, selbstzündenden Verbrennungsmotoren der Fall ist, sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, die Vorwärmtemperatur auch abhängig von der Abgasrückführrate zu bestimmen.
Sofern der Verbrennungsmotor des Weiteren aufgeladen ist, beispielsweise durch einen Turbolader oder einen Kompressor, wird zweckmäßigerweise die Vorwärmtemperatur auch abhängig von dem Ladedruck und der Ladelufttemperatur bestimmt.
Abhängig von diesen Größen bestimmen bedeutet dabei, dass die Vorwärmtemperatur als Funktion dieser an sich bekannten und in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors verarbeiteten Größen bestimmt wird.
Die Aufwärmung des Kraftstoffs kann durch eine ansteuerbare Heizeinrichtung in der Kraftstoffeinspritzdüse, dem Injektor und/oder durch einen in der Kraftstoffzuführung angeordneten Wärmetauscher und/oder durch Wärmeleitung, beispielsweise an heißen Teilen des Verbrennungsmotors erfolgen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, nur eine gewisse Grundenergiemenge aus der Abluft des Verbrennungsmotors zu entnehmen und eine kleine, regelbare Energiemenge über die Heizungseinrichtung in der Einspritzdüse dem Kraftstoff zuzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch eine Kraftstoffzuführung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
2 die Tropfenoberfläche über der Zeit bei nicht vorgeheiztem Kraftstoff und bei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeheiztem Kraftstoff und
3 die Tropfentemperatur über der Zeit bei nicht vorgewärmtem Kraftstoff und bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeheiztem Kraftstoff.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Brennraum 110 eines Verbrennungsmotors dargestellt. In diesem Brennraum 110 bewegt sich ein Kolben 120 auf an sich bekannte Weise auf und ab.
In den Brennraum 110 mündet ein Einspritzventil 130, beispielsweise ein Injektor zum Einspritzen von Diesel-Kraftstoff im Falle eines Dieselmotors oder Benzin im Falle eines Ottomotors. Das Einspritzventil 130 weist eine elektrische Heizung 135 auf, mit der Kraftstoff, der in einer Kraftstoffzuführung 140, beispielsweise in Form einer Kraftstoffleitung fließt, erwärmt werden kann. Des Weiteren ist in der Kraftstoffzuführung 140 ein Wärmetauscher 150 angeordnet, durch den der Kraftstoff ebenfalls erwärmt werden kann.
Bei einer Direkteinspritzung wird Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum 110 eingespritzt. Dabei wird der Kraftstoffstrahl bei Verlassen der Einspritzdüse 130 in sehr feine Tropfen zerstäubt. Die Haupteinspritzung erfolgt dabei typischerweise in der Nähe des oberen Totpunktes. Somit herrschen innerhalb des Zylinders, das heißt im Brennraum 110 hohe Drücke und Temperaturen. In dieser heißen Umgebung wird den Tropfen Wärmeenergie zugeführt. Dieses führt zu einer Verdunstung der Tropfen. Dabei findet zunächst am Anfang eine starke Aufheizung der Tropfen statt. Während dieser Zeit spielt die Verdunstung nur eine untergeordnete Rolle. In dieser Zeit nimmt die Tropfenoberfläche kontinuierlich zu. Erst nach einer gewissen Zeit setzt eine immer schneller werdende Verdunstung ein, bis die Tropfen ein Energiegleichgewicht erreicht haben. Der zugeführte Wärmestrom ist dann genauso groß, wie der durch Verdampfung abfließende Energiestrom. In dieser Phase bleibt die Tropfentemperatur konstant (3).
Der Grundgedanke der Erfindung liegt nun darin, den Kraftstoff schon vor der Einspritzung auf die Gleichgewichtstemperatur zu erwärmen. Die Aufheizung findet dabei beispielsweise durch die Heizung 135 in dem Einspritzventil 130 statt und/oder mittels des Wärmetauschers 150 in der Kraftstoffzuführung 140. Denkbar ist auch die Aufheizung durch eine Wärmeleitung an heißen Motorteilen. In diesem Falle ist die Kraftstoffzuführung 140 in direktem Wärmekontakt mit den heißen Teilen des Verbrennungsmotors angeordnet. Dies ist in 1 schematisch durch Pfeile 170 dargestellt, durch die angedeutet ist, dass die Kraftstoffzuführung 140 benachbart beispielsweise zum Brennraum 110 verläuft, wodurch die von dem Brennraum 110 abgegebene, beispielsweise abgestrahlte Wärmeenergie von der Kraftstoffzuführung 140 absorbiert wird. Auch eine Kombination ist denkbar, bei der nur eine gewisse Grundenergiemenge aus der Abwärme des Verbrennungsmotors entnommen wird und eine kleine, regelbare Energiemenge über die in dem Einspritzventil 130 angeordnete Heizung 135 zugeführt wird (1).
Die der Gleichgewichtstemperatur entsprechende Vorwärmtemperatur des Kraftstoffs wird mit Hilfe von Zustandsgleichungen für einen gewissen Kraftstofftyp als Funktion des Drucks und der Temperatur bestimmt, die der Tropfen im Brennraum 110 gewissermaßen vorfindet, also in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck und der Brennraumtemperatur. Die thermodynamische Beschreibung und Berechnung der Tropfenverdunstung ist an sich bekannt und geht beispielsweise aus der Veröffentlichung Sirignano, W. A. (1999): „Fluid Dynamics and Transportation of Droplets and Sprays", Cambridge University Press und aus der Veröffentlichung Burger, M., Schmehl, R., Prommersberger, K., Schäfer, O., Koch R. und Wittig, S. (2003): Droplet evaporation modeling by the distillation curve model: accounting for kerosene fuel and elevated pressures", International Journal of Heat and Mass Transfer, Bd. 46, S. 4403–4412 hervor, auf die vorliegend Bezug genommen wird.
Die Bestimmung der der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechenden Vorwärmtemperatur erfolgt dabei also in Abhängigkeit von dem im Brennraum 110 herrschenden Druck und von der im Brennraum 110 herrschenden Temperatur. Da diese Größen von dem Einspritzzeitpunkt und von der Kühlwassertemperatur bestimmt werden, erfolgt die Bestimmung der Vorwärmtemperatur abhängig, das heißt als Funktion des Einspritzzeitpunkts t_i und beispielsweise der Kühlwassertemperatur θ_C, mit dem der Verbrennungsmotor gekühlt wird. Wenn eine Abgasrückführung existiert, beispielsweise bei Diesel-Brennkraftmaschinen kann die Gleichgewichtstemperatur darüber hinaus auch noch abhängig von der Abgasrückführrate AGR bestimmt werden. Im Falle eines aufgeladenen Motors, erfolgt die Bestimmung der Vorwärmtemperatur ferner vorteilhafterweise auch abhängig von dem Ladedruck p_L und der Ladelufttemperatur θ_L. Die der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechende Vorwärmtemperatur wird dabei in einem Steuergerät 200 bestimmt, welches sowohl die Heizung 135 als auch den Wärmetauscher 150 ansteuert. Das vorbeschriebene Verfahren kann beispielsweise durch ein Computerprogramm realisiert werden, welches in dem Steuergerät 200 implementiert ist. Hierzu kann ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode vorgesehen sein, der beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
In 2 und 3 ist der Oberflächen- und Temperaturverlauf eines verdunstenden Tropfens schematisch dargestellt. Dabei sind die Verläufe für reinen Kraftstoff (durchgezogene Linien 200, 210, 300, 310) sowie für ein Kraftstoffgemisch (unterbrochene Linien 205, 215, 305, 315) dargestellt. Ohne eine Vorwärmung des Kraftstoffs setzt die Verdunstung durch den hohen Brennraumdruck stark verzögert ein, wie dies anhand der Verläufe 200, 205 ersichtlich ist. Es vergeht eine mit I bezeichnete Zeitspanne, bis eine Aufheizung stattgefunden hat und sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt (Zeitintervall II in 2 und 3).
Wird der Kraftstoff jedoch vor der Einspritzung auf eine der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechende Vorwärmtemperatur vorgewärmt, setzt die Tropfenverdunstung sofort ein, wie dies anhand der Kurvenverläufe 210, 215, 310, 315 ersichtlich ist. Die Tropfenverdunstungszeit wird auf diese Weise signifikant reduziert. Zwar kann rein prinzipiell auch nach Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts noch ein Temperaturanstieg stattfinden, weil Kraftstoffe wie Benzin und Diesel sich aus Hunderten von chemisch reinen Stoffen zusammensetzen und während der Verdunstung eine Destillation im Kraftstofftropfen stattfindet. Leicht flüchtige Bestandteile verdunsten dabei in einem frühen Stadium, schwer flüchtige Bestandteile verbleiben länger im Tropfen, wodurch sich die Stoffeigenschaften des Gemisches ändern. Das vorstehende Verfahren ist jedoch bei beliebigen Kraftstoffsorten anwendbar.
In 2 und 3 sind schematisch Tropfenoberflächen O und die Tropfentemperatur Temp über der Zeit dargestellt. Die Kurvenverläufe 200, 205 bzw. 300, 305 sind dabei Temperaturverläufe von reinem Kraftstoff (200, 300) bzw. einem Kraftstoffgemisch (205, 305). Wie den Kurven 200, 205 bzw. 300, 305 zu entnehmen ist, findet ohne Vorwärmung des Kraftstoffs zunächst eine Aufheizung des Kraftstoffs in dem Zeit-Intervall I statt, bis der Kraftstoff in dem Zeit-Intervall II seine Gleichgewichtstemperatur erreicht hat, der Kraftstoff sich also in einem Energiegleichgewicht befindet, in dem der zugeführte Wärmestrom genau so groß ist wie der abdampfende Energiestrom. In diesem Falle ändert sich die Temperatur, wie der 3 zu entnehmen ist, nicht mehr. Der Beginn dieses Zeitintervalls ist in 2 durch einen Punkt 240 und in 3 durch einen Punkt 340 dargestellt. Im Gegensatz dazu befindet sich der auf Gleichgewichtstemperatur vorgewärmte Kraftstoff bereits auf einer solchen Temperatur (Kurvenverläufe 210, 215, 310, 315). Die Tropfenverdunstungszeit wird signifikant reduziert, wodurch die Verbrennung und das Abgasverhalten deutlich verbessert werden.

Claims

Verfahren zum Vorwärmen von Kraftstoff, der mit wenigstens einer Kraftstoffeinspritzdüse in wenigstens einen Brennraum (110) eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird, nachdem er mit wenigstens einer Heizeinrichtung (135, 150) vorgewärmt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff auf eine der Gleichgewichtstemperatur im Wesentlichen entsprechende Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur abhängig von dem im Brennraum (110) herrschenden Druck und von der im Brennraum (110) herrschenden Temperatur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur abhängig von dem Einspritzzeitpunkt (t_i) und von der Kühlwassertemperatur (θ_C) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur abhängig von der Abgasrückführrate (AGR) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur abhängig von dem Ladedruck (p_L) und der Ladelufttemperatur (θ_L) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmung des Kraftstoffs durch eine in einer Einspritzdüse (130) angeordnete Heizeinrichtung (135) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmung des Kraftstoffs durch einen in der Kraftstoffzuführung (140) angeordneten Wärmetauscher (150) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmung des Kraftstoffs durch Wärmeleitung (170) erfolgt.
Computerprogramm, das alle Schritte des Verfahrens nach einer der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einer Recheneinrichtung abläuft.
Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät (200) ausgeführt wird.