DE102012204382A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

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Philip Henschen
Sebastian Kunkel
Dr.-Ing. Wilke Ingo
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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1), welche mindestens einen Verbrennungszylinder (10) aufweist, in dem ein Hubkolben (20) linear zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegbar aufgenommen ist, wobei das Verfahren aufweist: Einbringen von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einen Brennraum (13) des Verbrennungszylinders, um durch Verbrennung dieser einen Arbeitstakt des Hubkolbens zu realisieren, und Einbringen eines Zusatzfluids (ZF) in den Brennraum, um mit dem Zusatzfluid die Verbrennung zu beeinflussen. Um eine optimalere Verbrennung im Brennraum des Verbrennungszylinders zu erzielen, wird das Zusatzfluid separat zu dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft direkt in den Brennraum eingedüst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgestaltetes Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welche mindestens einen Verbrennungszylinder aufweist, in dem ein Hubkolben linear zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegbar aufgenommen ist.
  • Ein Verfahren der eingangsgenannten Art ist z.B. aus DE 10 2006 054 227 A1 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, so dass eine optimalere Verbrennung im Brennraum des Verbrennungszylinders erzielbar ist.
  • Dies wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Gemäß der Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welche mindestens einen Verbrennungszylinder aufweist, in dem ein Hubkolben linear zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegbar aufgenommen ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Einbringen von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einen Brennraum des Verbrennungszylinders, um durch Verbrennung dieser einen Arbeitstakt des Hubkolbens zu realisieren; und Einbringen eines sich bevorzugt von dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft unterscheidenden Zusatzfluids in den Brennraum, um mit dem Zusatzfluid die Verbrennung zu beeinflussen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Zusatzfluid separat zu dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft direkt in den Brennraum eingedüst wird.
  • Da das Zusatzfluid separat zu dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft direkt in den Brennraum eingedüst wird, kann dessen Einbringung in den Brennraum unabhängig vom Brennverlauf und/oder dem Zündzeitpunkt eines aus dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft gebildeten Gemisches gesteuert und damit optimal an die zu erzielende Beeinflussung der Verbrennung angepasst werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Einspritzung bzw. Eindüsung des Zusatzfluids direkt in den Brennraum vor, während und/oder nach der Verbrennung des aus dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft gebildeten Gemisches möglich. Somit ist eine flexiblere Beeinflussung der Verbrennung im Brennraum des Verbrennungszylinders und damit eine verbesserte Optimierung der Verbrennung erzielbar.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Zusatzfluid in den Brennraum eingedüst, wenn sich der Hubkolben in der Nähe des unteren Totpunktes (UT) befindet. Bevorzugt wird das Zusatzfluid in den Brennraum eingedüst, wenn sich der Hubkolben im unteren Totpunkt befindet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als unterer Totpunkt zum in den Brennraum Eindüsen des Zusatzfluids ein unterer Totpunkt direkt vor einem dem Arbeitstakt des Hubkolbens direkt vorgelagerten oberen Totpunkt (OT) ausgewählt, das heißt es wird ein unterer Totpunkt direkt vor einem Zünd-OT (ZOT) zwischen Kompressions- und Arbeitstakt des Hubkolbens ausgewählt.
  • Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung wird Wasser als Zusatzfluid in den Brennraum eingedüst.
  • Mit einer solchen Wasser-Direkt-Einspritzung (Water Direct Injection – WDI) können die Schadstoffemissionen der Hubkolbenbrennkraftmaschine reduziert und eine Leistungssteigerung und eine Klopfminimierung erzielt werden. Bei der Einspritzung bzw. Eindüsung des Zusatzfluids in Form von Wasser im unteren Totpunkt vor dem Zünd-OT kann durch Verdampfungskühlung des komprimierten Wassers der Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht werden.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Kraftstoff ein schwer entflammbares Gas in den Brennraum eingebracht, wobei als Zusatzfluid ein leicht entflammbares Gas in den Brennraum eingedüst wird.
  • Gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Verbrennung von schlecht bzw. schwer entflammbaren Gasen durch Zusatzeindüsung von besser bzw. leicht entflammbaren bzw. zündenden Gasen optimiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Zusatzfluid so in den Brennraum eingedüst, dass es mit in den Brennraum eintretenden Zündölstrahlen oder Vorkammerfackeln, die zum Zünden eines aus dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft entstandenen Gemisches vorgesehen sind, überlappt.
  • Gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Einspritzung bzw. Eindüsung des Zusatzfluid z.B. durch lokale Anfettung des Gemisches aus Kraftstoff und Verbrennungsluft die Zündwilligkeit des Gemisches unterstützen bzw. erhöhen.
  • Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung wird das Zusatzfluid gezielt in wenigstens eine Quetschzone des Brennraums eingedüst.
  • Quetschzonen bzw. Quetschkanten (z.B. an einem Kolbenboden des Hubkolbens) dienen z.B. zur Verwirbelung des Gemischs aus Kraftstoff und Verbrennungsluft im Brennraum. Quetschzonen sind Zonen, in denen es auf Grund der Annäherung des Hubkolbens an einen Zylinderkopf des Verbrennungszylinders zu einer Verdrängung des Gemisches kommt, wodurch diese Zonen teilweise oder vollständig von der Verbrennung ausgeschlossen sein können.
  • Das gezielte Einspritzen des Zusatzfluids in bestimmte Brennräume, wie bevorzugt Quetschzonen, ermöglicht durch die Vergrößerung des wirksamen Brennraums einen besseren Umsetzungsgrad und damit einen besseren Wirkungsgrad der Verbrennung bzw. der Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie erzeugt eine zusätzliche Ladungsbewegung im Brennraum und damit eine Reduzierung von als Abgas erzeugten Kohlenwasserstoffen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Zusatzfluid ein schwer entflammbares Gas während einer Entflammung eines aus dem Kraftstoff (bevorzugt hochwertigem und leicht entflammbarem Kraftstoff) und der Verbrennungsluft entstandenen Gemisches in den Brennraum eingedüst.
  • Gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit gezielt minderwertiger Kraftstoff eingespritzt bzw. eingedüst werden, was zur Reduzierung der Betriebskosten der Hubkolbenbrennkraftmaschine beitragen kann.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als unterer Totpunkt zum in den Brennraum Eindüsen des Zusatzfluids ein unterer Totpunkt direkt nach einem dem Arbeitstakt des Hubkolbens direkt vorgelagerten oberen Totpunkt ausgewählt, das heißt es wird ein unterer Totpunkt direkt nach dem Zünd-OT ausgewählt. Als Zusatzfluid wird dabei bevorzugt ein Abgasnachbehandlungsmittel, bevorzugt Ammoniak, in den Brennraum eingedüst.
  • Gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können ein SCR(Selective Catalytic Reduction – Selektive Katalytische Reduktion) -Katalysator, welcher zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas der Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen sein kann, und/oder eine Mischstrecke vor dem SCR-Katalysator entfallen. Dies gilt auch für andere Formen der Abgasnachbehandlung mittels Zusatzstoffen.
  • Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
  • 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines Verbrennungszylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Verbrennungszylinders von 1, gesehen entlang einer Linie A-A in 1.
  • Wie aus 1 und 2 ersichtlich, weist eine erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 (nicht vollständig gezeigt), welche z.B. als im 2-Takt-Verfahren oder im 4-Takt-Verfahren arbeitender Dieselmotor oder Ottomotor ausgebildet sein kann, mindestens einen Verbrennungszylinder 10 auf, in dem ein Hubkolben 20 linear zwischen einem oberen Totpunkt OT (Hubkolben zusätzlich mit 20.1 bezeichnet) und einem unteren Totpunkt UT (Hubkolben mit 20.2 bezeichnet) bewegbar aufgenommen ist.
  • Der Verbrennungszylinder 10 weist einen Zylinderkopf 11 auf, in dem eine Kraftstoff-Verbrennungsluft-Zuführanordnung 12, über welche Kraftstoff und Verbrennungsluft in einen Brennraum 13 des Verbrennungszylinders 10 einbringbar sind, aufgenommen ist.
  • Die Kraftstoff-Verbrennungsluft-Zuführanordnung 12 kann z.B. eine Kraftstoffeinspritzdüse und ein oder mehrere Lufteinlassventile aufweisen.
  • In dem Zylinderkopf 11 des Verbrennungszylinders 10 ist außerdem eine Zusatzfluid-Zuführanordnung 14 aufgenommen, über welche ein Zusatzfluid ZF separat von dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft in den Brennraum 13 des Verbrennungszylinders 10 einbringbar ist.
  • Die Zusatzfluid-Zuführanordnung 14 kann z.B. eine Einspritzdüse aufweisen und kann zur Nachrüstung von üblichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen z.B. in einer für ein Auslassventil vorgesehenen Öffnung bzw. Passage des Zylinderkopfs 11 angeordnet werden.
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 1 und 2 Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 beschrieben.
  • Gemäß der Erfindung weist das Verfahren zum Betreiben der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 zumindest die folgenden Schritte auf: mittels der Kraftstoff-Verbrennungsluft-Zuführanordnung 12 Einbringen von Kraftstoff und Verbrennungsluft in den Brennraum 13 des Verbrennungszylinders 10, um durch Verbrennung dieser einen Arbeitstakt des Hubkolbens 20 zu realisieren, und mittels der Zusatzfluid-Zuführanordnung 14 Einbringen des sich bevorzugt von dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft unterscheidenden Zusatzfluids ZF in den Brennraum 13, um mit dem Zusatzfluid ZF die Verbrennung zu beeinflussen, wobei das Zusatzfluid ZF separat zu dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft direkt in den Brennraum 13 eingedüst wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zusatzfluid ZF in den Brennraum 13 eingedüst, wenn sich der Hubkolben 20 in der Nähe des unteren Totpunktes UT befindet. Bevorzugt wird das Zusatzfluid ZF in den Brennraum 13 eingedüst, wenn sich der Hubkolben 20 (20.2) im unteren Totpunkt UT befindet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als unterer Totpunkt UT zum in den Brennraum 13 Eindüsen des Zusatzfluids ZF der untere Totpunkt UT direkt vor einem Zünd-OT (OT – oberer Totpunkt des Hubkolbens 20) zwischen einem Kompressionstakt und dem Arbeitstakt des Hubkolbens 20 ausgewählt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem unteren Totpunkt UT (oder in der Nähe dessen) direkt vor dem Zünd-OT des Hubkolbens 20 Wasser als Zusatzfluid ZF in den Brennraum 13 eingedüst.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Kraftstoff ein schwer entflammbares Gas in den Brennraum 13 eingebracht, wobei z.B. im unteren Totpunkt UT (oder in der Nähe dessen) direkt vor dem Zünd-OT des Hubkolbens 20 als Zusatzfluid ZF ein leicht entflammbares Gas in den Brennraum 13 eingedüst wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zusatzfluid ZF so in den Brennraum 13 eingedüst, dass es mit in den Brennraum 13 eintretenden Zündölstrahlen oder Vorkammerfackeln (nicht gezeigt), die zum Zünden eines aus dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft entstandenen Gemisches vorgesehen sind, überlappt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zusatzfluid ZF gezielt in wenigstens eine Quetschzone 13.1 des Brennraums 13 eingedüst.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Zusatzfluid ZF ein schwer entflammbares Gas während einer Entflammung des aus dem Kraftstoff (bevorzugt hochwertigem und leicht entflammbarem Kraftstoff) und der Verbrennungsluft entstandenen Gemisches in den Brennraum 13 eingedüst.
  • Gemäß noch einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als unterer Totpunkt UT zum in den Brennraum 13 Eindüsen des Zusatzfluids ZF der untere Totpunkt UT direkt nach dem Zünd-OT ausgewählt, wobei als Zusatzfluid ZF bevorzugt ein Abgasnachbehandlungsmittel, wie bevorzugt Ammoniak, in den Brennraum 13 eingedüst wird. Andere Abgasnachbehandlungsmittel sind gemäß der Erfindung denkbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hubkolbenbrennkraftmaschine
    10
    Verbrennungszylinder
    11
    Zylinderkopf
    12
    Kraftstoff-Verbrennungsluft-Zuführanordnung
    13
    Brennraum
    13.1
    Quetschzone
    14
    Zusatzfluid-Zuführanordnung
    20
    Hubkolben
    20.1
    Hubkolben im oberen Totpunkt
    20.2
    Hubkolben im unteren Totpunkt
    ZF
    Zusatzfluid
    OT
    oberer Totpunkt
    UT
    unterer Totpunkt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1), welche mindestens einen Verbrennungszylinder (10) aufweist, in dem ein Hubkolben (20) linear zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegbar aufgenommen ist, wobei das Verfahren aufweist: Einbringen von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einen Brennraum (13) des Verbrennungszylinders (10), um durch Verbrennung dieser einen Arbeitstakt des Hubkolbens (20) zu realisieren, und Einbringen eines Zusatzfluids (ZF) in den Brennraum (13), um mit dem Zusatzfluid (ZF) die Verbrennung zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfluid (ZF) separat zu dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft direkt in den Brennraum (13) eingedüst wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Zusatzfluid (ZF) in den Brennraum (13) eingedüst wird, wenn sich der Hubkolben (20) in der Nähe des unteren Totpunktes (UT) befindet.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Zusatzfluid (ZF) in den Brennraum (13) eingedüst wird, wenn sich der Hubkolben (20) im unteren Totpunkt (UT) befindet.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei als unterer Totpunkt (UT) zum in den Brennraum (13) Eindüsen des Zusatzfluids (ZF) ein unterer Totpunkt (UT) direkt vor einem dem Arbeitstakt des Hubkolbens (20) direkt vorgelagerten oberen Totpunkt (OT) ausgewählt wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei Wasser als Zusatzfluid (ZF) in den Brennraum (13) eingedüst wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei als Kraftstoff ein schwer entflammbares Gas in den Brennraum (13) eingebracht wird, und wobei als Zusatzfluid (ZF) ein leicht entflammbares Gas in den Brennraum (13) eingedüst wird.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Zusatzfluid (ZF) so in den Brennraum (13) eingedüst wird, dass es mit in den Brennraum (13) eintretenden Zündölstrahlen oder Vorkammerfackeln, die zum Zünden eines aus dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft entstandenen Gemisches vorgesehen sind, überlappt.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zusatzfluid (ZF) gezielt in wenigstens eine Quetschzone (13.1) des Brennraums (13) eingedüst wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als Zusatzfluid (ZF) ein schwer entflammbares Gas während einer Entflammung eines aus dem Kraftstoff und der Verbrennungsluft entstandenen Gemisches in den Brennraum (13) eingedüst wird.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als unterer Totpunkt (UT) zum in den Brennraum (13) Eindüsen des Zusatzfluids (ZF) ein unterer Totpunkt (UT) direkt nach einem dem Arbeitstakt des Hubkolbens (20) direkt vorgelagerten oberen Totpunkt (OT) ausgewählt wird, und wobei als Zusatzfluid (ZF) ein Abgasnachbehandlungsmittel, bevorzugt Ammoniak, in den Brennraum (13) eingedüst wird.
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