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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, insbesondere
einen Dieselmotor, bei dem jeder Zylinder mindestens eine Einspritzdüse aufweist,
die Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders einspritzt, und auf
ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere
eines Dieselmotors, wobei Kraftstoff in den Brennraum jedes Zylinders
eingespritzt wird.
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Bei
dem Dieselmotor kann es sich sowohl um einen stationären Dieselmotor
als auch um den Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs handeln. Grundsätzlich kann
der Dieselmotor sowohl ein Zweitakt- als auch ein Viertaktmotor
sein. In der Regel handelt es sich um einen Viertaktdieselmotor
eines Kraftfahrzeugs.
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Insbesondere
kann der Dieselmotor ein solcher mit Direkteinspritzung sein. Es
kann sich aber auch um einen Dieselmotor mit Vorkammereinspritzung
handeln.
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Die
Erfindung ist auch auf andere Verbrennungsmotoren anwendbar, bei
denen Kraftstoff direkt in die Zylinder eingespritzt wird, wie beispielsweise bei
Benzinmotoren mit Direkteinspritzung.
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STAND DER TECHNIK
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Bei
Dieselmotoren versteht man unter Direkteinspritzung das Einspritzen
von Dieselkraftstoff unmittelbar in den Hauptraum jedes Zylinders
und nicht in eine Vorkammer, die an diesen Hauptraum angrenzt. Bei
einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung kommt es zur Entwicklung härterer Verbrennungsimpulse
auf den Kolben als bei einem Dieselmotor mit Vorkammereinspritzung.
Hieraus resultiert das sogenannte "Nageln" eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung.
Um diesem Nageln zu begegnen, ist es bekannt, einen Teil des Kraftstoffs
bereits vor oder bei dem Erreichen des Totpunkts des Kolbens in
den jeweiligen Zylinder einzuspritzen, um die Verbrennung zu initiieren,
in die dann der restliche Kraftstoff hinein eingespritzt wird, sobald
der Kolben den Todpunkt durchschritten hat.
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Neben
dem Nageln, d. h. einer ungewünschten
Geräuschentwicklung,
bestehen bekannte Probleme von Dieselmotoren in der Rußentwicklung.
Zur Begrenzung der Rußentwicklung
sowie der Entwicklung von Stickoxiden durch Dieselmotoren ist es
bekannt, diese mit sogenannten Emulsionskraftstoffen zu betreiben.
Dabei werden dem Dieselkraftstoff Wasser und ein Emulgator beigemischt,
um aufgrund der resultierenden größeren Einspritzmenge eine bessere
Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen, was zur Emissionsreduzierung
beiträgt.
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Auch
bei Verwendung von Pflanzenöl
anstelle von fossilem Dieselkraftstoff als Kraftstoff für Dieselmotoren
kann die Rußbildung
reduziert werden.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor, insbesondere
einen Dieselmotor, und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors,
insbesondere eines Dieselmotors, der eingangs beschriebenen Art
aufzuzeigen, die unter Verwendung grundsätzlich bekannter Motorkonzepte
umsetzbar sind und sowohl die Geräuschentwicklung als auch die
Rußemission
reduzieren.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den
Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 13 gelöst.
Die abhängigen
Patentansprüche
2 bis 12 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verbrennungsmotors,
während
die abhängigen
Patentansprüche
14 bis 24 bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Verfahrens betreffen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Verbrennungsmotor ist mindestens eine Voreinspritzdüse vorgesehen,
mit der eine Öl-in-Wasser-Emulsion
außerhalb
der Zylinder in einen in die Zylinder einströmenden Luftstrom hinein vernebelbar
ist. Die Lage der Voreinspritzdüse kann
dabei der Lage einer nicht direkt einspritzenden Einspritzdüse bei einem
Benzinmotor entsprechen. Sie verspritzt zumindest in bestimmten
Betriebszuständen
des Verbrennungsmotors die Öl-in-Wasser-Emulsion, so dass
diese in den in die Zylinder einströmenden Luftstrom hinein vernebelt
wird. Damit tritt in den jeweiligen Zylinder ein gleichmäßig verteilter Ölanteil
der Öl-in-Wasser-Emulsion ein, der durch
die Verdichtung in dem Zylinder zur Entzündung gebracht wird. Hiermit
wird vor dem Erreichen des Todpunkts des Kolbens eine Vorzündung in
dem Zylinder initiiert, die die Verbrennung des anschließend eingespritzten
Kraftstoffs vergleichmäßigt und den
harten Zündimpuls
eines Motors mit Direkteinspritzung abmindert. Die gleichmäßige Verbrennung führt zudem
zu einer signifikanten Reduktion der Rußtrübungszahl der von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgase
und zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors, die
mit einer Einsparung an Kraftstoff einher geht.
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Insbesondere
ist der neue Verbrennungsmotor ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung,
auf den im Folgenden als einziges Beispiel näher eingegangen wird, ohne
dass dies die vorteilhafte Anwendung der dabei geschilderten Details
auf andere Verbrennungsmotoren ausschließen soll.
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Die
Voreinspritzdüse
kann die Öl-in-Wasser-Emulsion
vor dessen Verzweigung zu den einzelnen Zylindern in den in die
Zylinder einströmenden Luftstrom
hinein vernebeln. Auch in diesem Fall kann die Anordnung der Voreinspritzdüse noch
der Anordnung einer Einspritzedüse
bei einem nicht direkt einspritzenden Benzinmotor entsprechen, soweit
dieser über
eine Einzelpunkteinspritzung verfügt.
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Besonders
bevorzugt ist es bei dem neuen Verbrennungsmotor aber, wenn die
Voreinspritzdüse die Öl-in-Wasser-Emulsion
bereits zwischen einem Turbolader und einem Ansaugkrümmer in
den Luftstrom hinein vernebelt. Dieser Punkt liegt vor dem üblichen
Ort einer Einspritzdüse
eines nicht direkt einspritzenden Benzinmotors. Die Anordnung der Voreinspritzdüse sehr
weit vor den Zylindern sorgt für eine
besonders gleichmäßige Verteilung
der Öl-in-Wasser-Emulsion
in dem in die Zylinder einströmenden
Luftstrom. Diese gleichmäßige Verteilung wird
grundsätzlich
dadurch erschwert, dass nur sehr wenig Öl über die Voreinspritzdüse eingespritzt
wird. Die Einspritzmenge wird durch die Öl-in-Wasser-Emulsion vergrößert. Dies
erlaubt bereits eine einfachere Verteilung des Öls in dem Luftstrom. Hinzu
kommt die relativ lange Laufstrecke des Luftstroms von dem Ort der
Voreinspritzdüse
bis in den jeweiligen Zylinder. Überdies
kann ein vorhandener Verbrennungsmotor an dieser Stelle besonders
einfach mit einer Voreinspritzdüse
nachgerüstet
werden.
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Wie
bereits angedeutet wurde, kann die Einspritzdüse des neuen Verbrennungsmotors
den Kraftstoff in das in dem Zylinder bereits selbstentzündete Öl-Wasser-Luft-Gemisch
einspritzen. Dadurch wird eine mehrstufige Einspritzung des Kraftstoffs durch
die Einspritzdüse
in den Zylinder entbehrlich bzw. das Laufverhalten eines vorhandenen
Dieselmotors mit einstufiger Direkteinspritzung wird besonders stark
positiv beeinflusst.
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Es
versteht sich, dass es günstig
ist, den Durchsatz an und/oder die Vernebelung der Öl-in-Wasser-Emulsion durch
die Voreinspritzdüse durch
eine Steuerung in Abhängigkeit
von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors festzulegen. So
kann die Voreinspritzdüse
zunächst
inaktiv bleiben, bis der Verbrennungsmotor eine bestimmte Betriebstemperatur
erreicht hat.
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Um
eine gute Vernebelung der Öl-in-Wasser-Emulsion
in den in die Zylinder einströmenden Luftstrom
hinein zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn eine Hochdruckpumpe
die Öl-in-Wasser-Emulsion der Voreinspritzdüse zuführt. Die
Voreinspritzdüse kann
durch Ansteuerung eines beweglichen Düsenkörpers getaktet werden. Dabei
ist es sinnvoll, wenn von der Voreinspritzdüse eine Rücklaufleitung für nicht
vernebelte Öl-in-Wasser-Emulsion
zu einem Emulsionstank zurückführt. Diese
Rücklaufleitung
erlaubt es auch, eine Blasenbildung durch Lufteintritt in die oder
Verdampfen von Teilen der Öl-in-Wasser-Emulsion
im Bereich der Voreinspritzdüse
zu vermeiden, auch wenn dort erhöhte
Temperaturen herrschen. Die von der zurücklaufenden Emulsion aufgenommene
Wärme kann
dieser durch einen Rücklaufkühler in
der Rücklaufleitung
wieder entzogen werden.
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Die Öl-in-Wasser-Emulsion
ist vorzugsweise eine stabilisierte, möglichst homogene Emulsion von Pflanzenöl oder modifiziertem
Mineralöl
in Wasser. Dadurch besteht keine Gefahr, dass sich die Emulsion
in ihre Wasser- und ihre Öl-Komponente
auftrennt. Die Stabilisierung der Emulsion kann durch Additive,
z. B. in Form von Emulgatoren erreicht werden. Eine weitgehend homogene
und stabile Emulsion von Pflanzenöl oder modifiziertem Mineralöl in Wasser
kann auch ohne Additive durch andere chemische und/oder physikalische
Verfahren wie z. B. Hochdruckdesintegration, d. h. zum Beispiel
mittels Durchlauf der Emulsion durch die Hochdruckdüse eines
sogenannten Homogenisators erreicht werden.
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Der
Kraftstoff, der durch die Einspritzdüse in den Zylinder eingespritzt
wird, kann ebenfalls ganz oder teilweise aus Pflanzenöl zusammengesetzt sein.
Häufig
wird es sich jedoch um einen fossilen Kraftstoff handeln. Besonders
interessant ist die vorliegende Erfindung, wenn der Kraftstoff ein
Dieselkraftstoff ist, der direkt in den jeweiligen Zylinder eingespritzt
wird.
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Das
neue Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors wurde durch
die Beschreibung des neuen Verbrennungsmotors bereits umfassend erläutert.
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Es
versteht sich, dass sowohl der neue Verbrennungsmotor als auch das
neue Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors durch Maßnahmen
zur Reinigung des Abgasstroms, beispielsweise durch einen Katalysator
oder Rußfilter
ergänzt werden
können.
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Während der
Luftstrom, in den die Öl-in-Wasser-Emulsion
erfindungsgemäß hinein
vernebelt wird, typischerweise von einem Turbolader gefördert wird,
kann die vorliegende Erfindung auch ohne Turbolader, d. h. zum Beispiel
bei einem sogenannten Saugdieselmotor mit Direkteinspritzung umgesetzt
werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert und
beschrieben.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines neuen Dieselmotors und den Ablauf des
neuen Verfahrens.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In
der Figur sind alle Teile des neuen Dieselmotors nur höchst schematisch
dargestellt. Insbesondere gibt die Darstellung keine Größenverhältnisse
zwischen den einzelnen Bestandteilen des neuen Dieselmotors wieder.
So ist der Hauptbestandteil des Dieselmotors 1 gemäß 1 ein
Motorblock 2, der die Zylinder, die daran vorgesehenen
Ventile und Einspritzdüsen,
die Abgaskrümmer,
die in den Zylindern laufenden Kolben, das Kurbelwellengehäuse, die
darin umlaufende Kurbelwelle usw. umfasst. Über eine Versorgungsleitung 3 und
eine Rücklaufleitung 4 steht
der Motorblock 2 mit einem Kraftstofftank 5 in Verbindung,
der die Einspritzdüsen
des Motorblocks 2 mit Kraftstoff versorgt. An den Motorblock 2 ist
ein Ansaugkrümmer 6 angesetzt,
der zu den einzelnen Zylindern des Motorblocks 2 verzweigt
ist. Ein Luftstrom 7, der durch den Ansaugkrümmer 6 in
die Zylinder des Motorblocks 2 einströmt, kommt von einem Turbolader 8,
bei dem es sich in der Regel um einen Abgasturbolader handelt, so
dass er durch eine hier nicht dargestellte Abgasleitung von dem
Motorblock 2 angetrieben wird. Dem Turbolader 8 ist
ein Luftfilter 9 vorgeschaltet. Auf dem Weg des Luftstroms 7 von dem
Turbolader 8 zu dem Ansaugkrümmer 6 ist eine Voreinspritzdüse 10 vorgesehen,
die eine Öl-in-Wasser-Emulsion
aus einem Emulsionstank 11 in den Luftstrom 7 hinein
vernebelt. So erhalten alle Zylinder des Motorenblocks 2,
zu denen der Ansaugkrümmer 6 verzweigt,
eine gleich große
Menge an Öl-Wasser-Luft-Gemisch.
Dieses Gemisch wirkt sich direkt auf die Verbrennung in dem Dieselmotor 1 aus.
Im Verdichtungstakt wird nicht nur Luft verdichtet, sondern das Öl-Wasser-Luft-Gemisch.
Hierbei kommt es durch die Verwendung von Pflanzenöl abgestimmter Zusammensetzung
schon vor der Einspritzung von Kraftstoff aus dem Dieseltank 5 zu
einer Initialzündung,
d. h., schon vor dem Erreichen des Totpunkts der Kolben entzündet sich
das Öl-Wasser-Luft-Gemisch
selbst. So wird die Entzündung
des danach eingespritzten Kraftstoffs und dessen Verbrennung erheblich
verbessert. In der Folge geht die Rußbildung gegenüber ausschließlich direkt
eingespritztem Kraftstoff zurück.
Bei optimaler Zusammensetzung des Öl-Wasser-Luft-Gemisches wird
ein dem Motorblock 2 nachgeschalteter Rußpartikelfilter
nach derzeitig geltenden Richtlinien überflüssig. Grundsätzlich ist
es aber möglich,
dem Motorblock 2 eine (hier nicht dargestellte) Abgasreinigung
nachzuschalten. Neben der Rußvermeidung
weist der Dieselmotor 1 gemäß 1 aufgrund
der verbesserten Verbrennung des Kraftstoffs eine deutliche Erhöhung des Motorwirkungsgrads
auf. Dies führt
zu einer Reduktion des Verbrauchs an Kraftstoff. Die Voreinspritzpumpe 10 erhält die Öl-in-Wasser-Emulsion
aus dem Emulsionstank 11 von einer Hochdruckpumpe 12 über eine
Hochdruckleitung 13. Die Voreinspritzpumpe ist beispielsweise
eine gesteuerte 6- oder 8-Lochdüse,
die über
eine Steuerung 14 in ihrer Abspritzfrequenz und damit auch
ihrem Durchsatz variabel steuerbar ist. Nach dem Erreichen einer
Motorbetriebstemperatur, die von der Steuerung 14 erfasst
wird, wird die Voreinspritzdüse
mit einer von der Drehzahl und dem Belastungszustand des Dieselmotors 1 abhängigen Arbeitsfrequenz
beaufschlagt. Die Voreinspritzdüse 10 öffnet und
schließt,
wobei in der Hochdruckleitung 13 das Prinzip des hydraulischen
Widders zur Anwendung kommt. Hierdurch ergibt sich eine impulsweise
feine Zerstäubung
der Öl-in-Wasser-Emulsion
in den Luftstrom 7. Um ein eventuelles Eindringen von Luft über die
Einspritzdüse 10 in
das Hochdrucksystem zu kompensieren, ist eine Rücklaufleitung 14 zu
dem Emulsionstank 11 analog der Rücklaufleitung 4 zu
dem Dieseltank 5 vorgesehen. In der Rücklaufleitung 14 ist
ein Rücklaufkühler 15 angeordnet,
der verhindert, dass sich die Emulsion bei hohem Druck so stark
erwärmt,
dass es zu einer Dampfblasenbildung kommt. Die Steuerung 14,
die über
Signalleitungen 16 bis 19 verschaltet ist, kann neben
der Ansteuerung der Voreinspritzdüse 10 beispielsweise
auch den gesamten Dieselmotor 1 in ein Notprogramm überführen, wenn
der Emulsionstank 11 geleert ist, um auch ohne die Verneblung
der Öl-in-Wasser-Emulsion
in den Luftstrom 7 die Rußbildung zu begrenzen.
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- 1
- Dieselmotor
- 2
- Motorblock
- 3
- Versorgungsleitung
- 4
- Rücklaufleitung
- 5
- Kraftstofftank
- 6
- Ansaugkrümmer
- 7
- Luftstrom
- 8
- Turbolader
- 9
- Luftfilter
- 10
- Voreinspritzdüse
- 11
- Emulsionstank
- 12
- Hochdruckpumpe
- 13
- Hochdruckleitung
- 14
- Rücklaufleitung
- 15
- Rücklaufkühler
- 16
- Signalleitung
- 17
- Signalleitung
- 18
- Signalleitung
- 19
- Signalleitung