DE2942294A1 - Verfahren zum verbrennen von zuendunwilligen kraftstoffen in viertakt-kolbenmotoren mit kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL.-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU D-8500 NÜRNBERG ESSENWEINSTRASSE 4-< TELEFON 0911 /203727 TELEX 06/23135

Nürnberg, I8.1o.79 18/48

MOTOREN-WERKE MANNHEIM AG, vorm. BENZ Abt. stat. Motorenbau, Carl-Benz-Straße 5, 6800 Mannheim 1

Verfahren zum Verbrennen von zündunwilligen Kraftstoffen in Viertakt-Kolbenmotoren mit Kraftstoffeinspritzung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Mit zunehmender Verknappung mineralischer Rohöle wird es zunehmend wichtiger, alternative Kraftstoffe unter anderem auch für Verbrennungsmotoren zu finden. Hierfür bieten sich das aus Kohle gewinnbare Methanol für Länder mit großen Kohlevorkommen und das aus Pflanzen gewinnbare Äthanol für klimatisch begünstigte Länder mit der Möglichkeit einer hohen Biomasseproduktion an.

Beiden Kraftstoffen ist gemeinsam, daß sie im Vergleich zu den mineralischen Kraftstoffen Dieselöl bzw. Benzin einen geringeren Heizwert haben*, daß sie aber für Verbrennungs-Kolbenmaschinen noch einsetzbar sind. Die hohe Klopffestigkeit der Alkohole (Methanol und Äthanol) läßt sich in fremdzündenden Ottomotoren durch Steigerung des Verdichtungsverhältnisses zu einer Verbrauchs-

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verbesserung ausnützen. Derartige für Alkoholbetrieb optimierte Ottomotoren erreichen Wirkungsgrade, die denen von Dieselmotoren nahekommen. Ottomotoren, und zwar auch solche, die mit Alkohol betrieben werden, sind durch vier wesentliche Eigenschaften gekennzeichnet, nämlich Verwendung klopffester Kraftstoffe, äußere Gemischbildung durch Vergaser oder Saugrohreinspritzung, Ansaugung eines Kraftstoff-Luftgemisches und Fremdzündung des angesaugten Kraftstoff-Luftgemisches.

Es sind auch bereits Verfahren bekannt geworden, zündunwillige Kraftstoffe, wie Äthanol, in Dieselmotoren einzusetzen. Da Alkohole und somit auch Äthanol im Vergleich zu normalen Dieselkraftstoffen wesentlich höhere Zündtemperaturen aufweisen, haben sie extrem niedere Cetan-Zahlen, was bedeutet, daß diese Kraftstoffe sehr zündunwillig sind. Andererseits liegen die Verdampfungswärmen von Alkoholen und insbesondere die von Äthanol erheblich höher als die von normalem Dieselkraftstoff. Um bei Einsatz von Äthanol in Dieselmotoren Zündaussetzer zu vermeiden, sind schon verschiedene Maßnahmen zur Steigerung der Kompressionstemperatüren angewandt worden, nämlich Steigerung des Verdichtungsverhältnisses, Drosselung und Vorwärmung der Ansaugluft, Abgasrückführung und Heißkühlung. Wie Untersuchungen gezeigt haben, reicht jede Einzelmaßnahme der vorgenannten Art nicht aus, um Teillastbetrieb ohne Zündaussetzer zu gewährleisten.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bereits bekannt geworden, Äthanol über einen Vergaser oder eine Niederdruckeinspritzung der Ansaugluft beizugeben, also eine äußere Gemischbildung zwischen Äthanol und Luft vorzunehmen. Die Zündung erfolgt dann durch eine Hochdruckeinspritzung von herkömmlichem Dieselöl. Als nachteilig ist hierbei anzusehen, daß der Äthanolanteil

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nicht über 2 5 bis 4o % der gesamten Kraftstoffmenge gesteigert v/erden kann, da sich sonst eine klopfende Verbrennung einstellt.

Eine wesentliche Steigerung des Äthanolanteils wurde mit einem Zweistoffbetrieb erreicht, bei dem Alkohol einerseits und konventioneller Dieselkraftstoff als Zündkraftstoff andererseits mittels völlig voneinander getrennter Hochdruck-Einspritzsysteme am Ende der Kompressionsphase in den Brennraum des Zylinders eingespritzt wurde. Dieser Verbesserung steht jedoch der Nachteil eines erheblichen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwandes gegenüber. Hinzukommt, daß Düsen für den Zündkraftstoff relativ leicht verkoken, weil nur relativ geringe Kraftstoffmengen durch diese Düsen jeweils eingespritzt werden, so daß Uberhitzungen die Verkokung einleiten. In der Patentanmeldung P 29 24 128.9 ist bereits eine Einrichtung zur Einspritzung von Zündkraftstoff einerseits und zündunwilligem Hauptkraftstoff andererseits für Dieselmotoren beschrieben, bei der nur eine Düse für das nacheinander erfolgende Einspritzen des Zündkraftstoffes und des Hauptkraftstoffes ausgebildet ist, wobei zur Förderung des Zündkraftstoffes zur Düse eine im Vergleich zur Hochdruckeinspritzpumpe als Niederdruckpumpe ausgebildete Pumpe vorgesehen ist und wobei das Einspritzen des Zündkraftstoffes durch den Druck des Hauptkraftstoffes erfolgt, bevor dieser seinen hohen Einspritzdruck erreicht hat. Es erfolgt also eine Vorlagerung des Hauptkraftstoffes vor den Zündkraftstoff. Dieselmotoren, und zwar auch derartige, für den Einsatz von zündunwilligem Kraftstoff ausgebildete Dieselmotoren, zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:Verwendung zündwilliger Kraftstoffe zumindest als Zündkraftstoffe, Ansaugung von Frischluft, innere Gemischbildung am Ende der Kompressionsphase,

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Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die hohen Verdampfungswärmen der zündunwilligen Kraftstoffe zur Verbesserung der Verbrennungsvörgänge unter Beibehaltung der dieselmotorischen Qualitätsregelung ausgenutzt werden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Durch die Art der inneren Gemischbildung wird erreicht, daß eine intensive innere Kühlung der Zylinder, und zwar insbesondere an thermisch hoch beanspruchten Bauteilen, vorgenommen wird. Dadurch wird die Wärme, die sonst als Verlustwärme durch Kühlung nach außen abgeführt werden muß, als Verdampfungswärme für den Alkohol ausgenutzt. Der Verbesserung der Kühlung des Motors steht also gleichzeitig eine Verringerung der Verlustwärme und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber. Weiterhin wird eine Leistungssteigerung des Motors erreicht, da der Liefergrad infolge der Temperaturabsenkung der Zylinderfüllung erhöht wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren handelt es sich also um ein Hybridverfahren, bei dem Elemente des Otto-Verfahrens und Elemente des Diesel-Verfahrens eingesetzt werden. Wesentlich ist, daß zumindest ein Teil des zündunwilligen Kraftstoffes während der Ansaugphase bereits in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, wobei es auf jeden Fall zweckmäßig ist, eine direkte Einspritzung vorzunehmen. Eine indirekte Einspritzung in eine Vorkammer sollte nur dann vorgenommen werden, wenn es sich auch hierbei um eine quasi-direkte Einspritzung handelt, wie bei dem bekannten Verfahren nach der DE-PS 26 34 (entsprechend US-Ser. No. 817 526).

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Durch die Einspritzung zumindest eines Teils des Kraftstoffes während der Ansaugphase wird auch eine besonders intensive Gemischbildung erreicht, insbesondere dann, wenn während des Einströmens der Luft in den Verbrennungsraum eine ganz besonders intensive Luftbewegung vorhanden ist. Hierdurch wird auch die Gefahr verringert; daß sich Alkohol an den Zylinderwänden niederschlägt, was zu einer Verschlechterung der SchmierfUmbildung und damit einer Verschlechterung der Schmiereigenschaften führen würde.

Durch die Maßnahmen nach dem Patentanspruch 2 wird eine besonders intensive Kühlung von thermisch hochbelasteten Bauteilen erreicht.

Durch die Maßnahmen nach dem Patentanspruch 3 wird weiter verhindert, daß sich Alkohol in nicht verdampfter Form an. den Zylinderwänden niederschlägt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in verschiedenartiger Weise das bei Alkoholbetrieb generell bestehende Problem zu lösen, die aufgrund des geringen Heizwertes der Alkohole für einen Verbrennungsvorgang notwendige größere Menge Alkohol in den Verbrennungsraum einzuspritzen. Da für die Gemischbildung fast die gesamte Ansaugphase und fast die gesamte Kompressionsphase zur Verfügung stehen, können in besonders vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Maßnahmen nach den Ansprüchen 4 und 5 angewendet werden.

den
Die Maßnahmen nach/Ansprüchen 6 bis 8 haben im Grundsatz den Effekt, daß der Kraftstoff in zwei Teilmengen, die unterschiedlich groß sein können, eingespritzt wird. Dies hat zur Folge, daß bei einer Umrüstung eines Dieselmotors auf das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren

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der Plungerdurchmesser der Einspritzpumpe nicht verändert zu werden braucht, da ja zwei Einspritzungen erfolgen. Es bedarf lediglich einer Änderung der Nockenwelle der Einspritzpumpe. Da die Einspritzzeit für die zweite Teilmenge hierbei auf jeden Fall kürzer ist als die Einspritzzeit bei einem konventionellen Dieselmotor, kann diese Art der Einspritzung dazu verwendet werden, die Drehzahl des Motors im Vergleich zu konventionellen Dieselmotoren zu steigern, ohne daß die Gefahr von klopfenden Verbrennungen auftritt. Weiterhin lassen sich durch diese Doppeleinspritzung Schichtladeeffekte des Gemisches verbrennungstechnisch ausnutzen.

Die Zündung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Zündkerze oder auch durch gesonderte Einspritzung eines Zündkraftstoffes erfolgen. In diesem Sinn kann auch letzteres als Fremdzündung angesehen werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Zylinder mit Zylinderkopf eines Motors,

Fig. 2 ein p-t-Diagramm eines Motors,

Fig. 3 ein Einspritzdiagramm für eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Nockenwelle einer Einspritzpumpe zur Erzeugung einer Einspritzung nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Einspritzdiagramm einer weiteren Verfahrensvariante,

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Fig. 6 einen Querschnitt durch die Nockenwelle einer Einspritzpumpe für ein Einspritzverfahren nach Fig. 5_f

Fig. 7 ein Einspritzdiagramm einer weiteren Verfahrensvariante und

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Nockenwelle einer Einspritzpumpe für ein Einspritzverfahren nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Zylinderlaufbüchse 1 eines Zylinders 2 eine s Viertakt-Verbrennungsmotors. Zwischen der Zylinderlaufbüchse 1 und dem Zylinder 2 sind Kühlwasserkanäle 3 ausgebildet. In der Zylinderlaufbüchse 1 ist ein in Richtung seiner Mittellängsachse 4 bewegbarer Kolben 5 angeordnet, der in üblicher Weise mittels Kolbenringen 6 gegenüber der Zylinderlaufbüchse 1 abgedichtet ist.

Im Kolbenboden 7 ist eine Mulde 8 ausgebildet.

Die Endpunkte der hin- und hergehenden Kolbenbewegung sind als unterer Totpunkt (UT) und oberer Totpunkt (OT) in Fig. 1 angedeutet.

Der Zylinder 2 ist in der Nähe des OT durch einen Zylinderkopf 9 verschlossen, in dem ein Einlaßventil 1o angebracht ist. Das Einlaßventil verbindet den durch die Zylinderlaufbüchse 1, den Zylinderkopf 9 und den Kolbenboden 7 begrenzten Verbrennungsraum 11 und einen durch den Zylinderkopf 9 führenden Ansaugkanal 12 für Verbrennungsluft miteinander, wenn es geöffnet ist, bzw. trennt es die beiden voneinander, wenn es geschlossen ist. Ein im Zylinderkopf 9 ebenfalls ange-

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brachtes Auslaßventil zum Verbinden des Verbrennungsraumes 11 mit einem Auslaßkanal zum Ausschieben der Abgase, ist in der Zeichnung nicht dargestellt. In dem Zylinderkopf ist weiterhin eine Einspritzdüse 13 zur Direkt-Einspritzung eines Kraftstoffes in den Verbrennungsraum 11, d.h. in die Mulde 8 im Kolbenboden 7, vorgesehen.

Die Einspritzdüse 13 ist mit einer nur schematisch angedeuteten Leitung 14 mit dem zugeordneten Zylinder einer Einspritzpumpe 15 verbunden. Insoweit als es bisher beschrieben ist, handelt es sich dem Aufbau nach um einen Viertakt-Dieselmotor mit Direkteinspritzung.

Abweichend von diesem Diesel-Prinzip ist im Zylinderkopf eine Bohrung 16 ausgebildet, in die eine Fremzündungseinrichtung eingeschraubt wird. Es kann sich hierbei um eine Zündkerze 17a, deren Zündkontakt beim Verbrennungsraum liegt, handeln, oder um eine Zündöldüse 17b, die in allgemein bekannter Weise zündwilligen Kraftstoff in die Kolbenmulde 8 spritzt.

In dem Diagramm nach Fig. 2 ist der Druck ρ im Verbrennungsraum 11 über der Zeit t, also auch über der jeweiligen Stellung des Kolbens 5 dargestellt, von der jeweils nur die Endpunkte UT-OT dargestellt sind. Hiernach werden während der Ausschubphase I, während der der Kolben 5 sich vom UT zum OT bewegt, bei geöffnetem Auslaßventil die Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum 11 mit einem Druck ausgeschoben, der etwas über Atmosphärendruck liegt. Während der sich anschließenden Ansaugphase II, während der der Kolben 5 sich vom OT zum UT bewegt, wird bei geöffnetem Einlaßventil

10 Luft in den Verbrennungsraum 11 eingesaugt. Während der anschließenden Kompressionsphase III wird bei einer Bewegung des Kolbens vom UT zum OT und bei geschlossenem Einlaß- und Auslaßventil die im Verbrennungsraum

11 befindliche Luft komprimiert. Am Ende dieser Kompressionsphase III setzt die Verbrennung eines in den Verbrennungsraum 11 eingebrachten Kraftstoffes ein. Diese

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Einbringung des Kraftstoffes und seine Zündung wird nachfolgend noch näher erläutert. Die Verbrennung führt auch schon bei einer Kolbenbewegung vom OT zum UT zu einer Druckerhöhung und dann zu einem Druckabfall. Hierbei, handelt es sich um die Expansionsphase IV, an die^sich wiederum eine erneute Ausschubphase I anschließt.

Bei einer ersten Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs, und zwar eines zündunwilligen Kraftstoffs, insbesondere Äthanol, während der Ansaugphase II. Diese Einspritzphase a, während der die gesamte für den nachfolgenden Verbrennungsvorgang erforderliche Kraftstoffmenge durch die Einspritzdüse 13 in den Verbrennungsraum direkt eingespritzt wird, ist in Fig. 3 in der richtigen Abszissen-Zuordnung zu Fig. 2 dargestellt. Wie sich aus der Fig. 4 ergibt, ist der zugehörige Nocken 18 der Nockenwelle 19 der Einspritzpumpe 15 verhältnismäßig flach ausgebildet und erstreckt sich dafür über einen verhältnismäßig großen Umfangswinkel der Nockenwelle. Die Einspritzung der Kraftstoffmenge bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt also als Niederdruckeinspritzung. Die Zündung mittels der Zündkerze 17a bzw. der Zündöldüse 17b erfolgt - wie üblich - unmittelbar vor OT der Kompressionsphase III, wie durch den Zündpunkt Zp in Fig. 3 angedeutet ist.

Bei der Variante nach den Fig. 5 und 6 erfolgt eine Teileinspritzung b während der Ansaugphase und eine zweite Teileinspritzung c am übergang von der Kompressionsphase III zur Expansionsphase IV. Die Zündung mittels der Zündkerze 17a bzw. der Zündöldüse 17b erfolgt hier während der Teileinspritzung c, wo der Zündpunkt Zp eingezeichnet ist.

Wie sich aus Fig. 6 ergibt, sind hierbei an der Nockenwelle 19 der Einspritzpumpe 15 zwei Nocken 2o, 21

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angebracht, die für eine Hochdruckeinspritzung ausgebildet sind. Der Nocken 2o bewirkt die Einspritzung b während der Ansaugphase II, während der Nocken 21 die Einspritzung c am Übergang von der Kompressionsphase III zur Expansionsphase IV steuert.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 erfolgt wiederum eine Teileinspritzung d während der Ansaugphase II, während am übergang von der Kompressionsphase III zur Expansionsphase IV eine weitere Teileinspritzung e stattfindet. Während dieser zweiten Einspritzung erfolgt auch die Zündung am Zündzeitpunkt Zp. Wie sich aus Fig. 8 ergibt, erfolgt die erste Teileinspritzung d als Niederdruckeinspritzung, d. h. der an der Nockenwelle 19 hierfür ausgebildete Nocken 22 ist sehr flach und über einen verhältnismäßig großen Winkel ausgebildet, während der zweite, für die zweite Teileinspritzung e vorgesehene Nocken 2 3 entsprechend steil für eine Hochdruckeinspritzung ausgebildet ist.

Zur Vervollständigung sei darauf hingewiesen, daß die Einspritzpumpe 15 in der üblichen Weise seitlich am Kurbelgehäuse 24 des Motors angeflanscht ist und ebenfalls in der allgemein üblichen Weise angetrieben wird.

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   Ansprüche

   iy Verfahren zum Verbrennen von zündunwilligen Kraft-'stoffen in Viertakt-Kolbenmotoren mit Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet,daß der Kraftstoff mindestens teilweise während der Ansaugphase direkt eingespritzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung etwa am Anfang der Ansaugphase beginnt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung in eine Mulde im Kolbenboden erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Kraftstoffmenge während der Ansaugphase eingespritzt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff während des Ansaugvorgangs mit Niederdruck eingespritzt wird.

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   ORIGINAL INSPECTED
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff während der Ansaugphase und am Ende derKompressionsphase jeweils in Teilmengen eingespritzt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Teilmenge während der Ansaugphase mit Niederdruck und die andere Teilmenge am Ende der Kompression sphase mit Hochdruck eingespritzt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilmengen mit Hochdruck eingespritzt werden.

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