DE3400306C1

DE3400306C1 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezuendeten Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE3400306C1
Application number: DE3400306A
Authority: DE
Inventors: Joseph A. Haperville Ill. Harrington; Peter Harvard Livonia Mich. Havstad; Aladar Otto Dearborn Heigths Mich. Simko
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1983-01-10
Filing date: 1984-01-05
Publication date: 1984-08-23
Also published as: GB2133468B; GB8400489D0; GB2133468A; US4446830A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen der durch den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Die Verwendung von unverdünnten Brennstoffen von hoher latenter Verdampfungswärme erweist sich zum Betreiben einer Fremdgezündeten Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen insbesondere unter dem Gesichtspunkt als zweckmäßig, daß mit deren Gewinnung aus Kohle ein zu den Petroleumerzeugnissen alternativer Brennstoff mit einer hohen Oktanzahl zur Verfügung steht. Die große latente Verdampfungswärme dieser Brennstoffe ergibt jedoch den betriebstechnischen Nachteil, daß dadurch das zur Verbesserung der Laufeigenschaften des Kolbens verwendete Schmieröl eine stärkere Verdünnung erfährt und somit die Kolbenringe und die Zylinderwand einem schnelleren Verschleiß unterliegen.

Bei Verwendung insbesondere von Methanol sind bisher verschiedene Wege beschriften worden, um hauptsächlich solche Verschleißerscheinungen besser beherrschen zu können. Nach einer ersten Gruppe von Vorschlägen ist vorgesehen, den Brennstoff in bereits vergastem Zustand in den Brennraum der Kolben-Zylinder-Anordnung einzuleiten. Diese Handhabung ergibt aber den Nachteil, daß damit keine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft erreichbar ist, während die Verbrennungsluft über den Einlaßkrümmer der Brennkraftmaschine zu den Zylindern strömt. Der Verteilungsgrad kann in diesem Fall zwar dadurch verbessert werden, daß man zur Unterstützung der Verdampfung das gesamte Einlaßsystem der Zylinder aufwärmt, jedoch kann auch damit kaum verhindert werden, daß flüssige Methanoltröpfchen in die Zylinder vordringen und sich folglich an den Zylinderwänden für eine Verdünnung des dort vorhandenen Schmierölfilmes absetzen. Nach einer anderen Gruppe von Vorschlägen ist vorgesehen, den Brennstoff in die einzelnen Zylinder direkt einzuspritzen, womit zwar das Problem von dessen gleichmäßiger Verteilung auf die einzelnen Zylinder beherrscht werden kann, nicht aber das Problem, wie eine Verdünnung des Schmieröls verhindert werden kann. Bei dieser Gruppe von Vorschlägen, unter welche sich die vorliegende Erfindung mit dem Verfahren der angegebenen Gattung einreiht, ist man bis heute zu der Erkenntnis gelangt, daß mit der Einspritzung des Brennstoffs unmittelbar in die Zylinder der Verdünnungsprozeß viel eher gefördert als gebremst wird, weil dabei gewöhnlich nicht genügend Zeit zum Verdampfen des Brennstoffes zur Verfügung steht und es dabei auch nicht möglich ist, die in den Auspuffgasen enthaltene Verbrennungswärme an den Brennstoff für eine Steigerung seiner Verdampfung zu übertragen.

Bei einem aus den US-PS 41 23 997 und 42 16 744 bekannten Verfahren der angegebenen Gattung wird die Brennkraftmaschine mit einem Kompressionsverhältnis von etwa 12:1 betrieben und die Gesamtmenge des Methanols mit einem einzigen Einlaßzyklus in den Zylinder eingesprüht. Ein Hinweis darauf, daß mit diesem einmaligen Einsprühen des Methanols in die Zylinder eine verstärkte Nässebildung mit der Folge einer verstärkten Verdünnung des Schmierölfilmes an den Zylinderwänden erhalten wird, findet sich jedoch nicht in diesen Druckschriften. Aus der US-PS 41 17 810 ist für ein ähnliches Verfahren bekannt, anstelle von reinem Methanol ein Gemisch aus Methanol und Benzin zu verwenden. Nähere Hinweise auf das Verhalten des Methanols finden sich jedoch auch in dieser Druckschrift nicht.

Aus der US-PS 40 22 165 ist ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem zwei Brenn-Stoffteilmengen in zeitlicher Aufeinanderfolge eingespritzt werden. Dabei werden zwei getrennte Einspritzdüsen verwendet, um zuerst eine größere Benzinmenge mit der einen Einspritzdüse möglichst tief in den Zylinder einspritzen zu können, während mit der zweiten Einspritzdüse nach einer in dieser Druckschrift nicht näher angegebenen Zeitdifferenz die restliche kleinere Menge in der Nähe der Zündkerze eingespritzt wird. Auch in dieser Druckschrift fehlt im übrigen mangels

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einer entsprechenden Berücksichtigung jeder Hinweis darauf, wie im Falle der Verwendung von Methanol mit einem solchen zweimaligen Einspritzen jeweils nur von Teilmengen ein Annässen der Zylinderwand verhindert werden könnte. Das zweimalige Einspritzen von Brennstoffteilmengen ist daneben auch noch aus den US-PS 32 16 407 und 34 39 655 ebenfalls ohne eine entsprechende Berücksichtigung der Verhältnisse bei einer Verwendung von Methanol oder anderen unverdünnten Brennstoffen von hoher latenter Verdampfungswärme anstelle von Benzin bekannt. Schließlich ist aus der US-PS 36 41986 noch eine Kolben-Zylinder-Anordnung bekannt, bei welcher der Brennraum durch eine Vertiefung im Kolbenboden vergrößert ist und tangential angelegte Einlaßbereiche vorhanden sind.

Die durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, ein Verfahren der angegebenen Gattung so auszubilden, daß damit unter Vermeidung einer beachtlichen Annässung der Zylinderwände und somit zur Verhinderung eines sonst dadurch als Folge einer Verdünnung des Schmieröls hervorgerufenen frühzeitigen Verschleißes eine verbesserte Verdampfung des Brennstoffs erhalten wird und gleichzeitig sicher gestellt ist, daß zum Zeitpunkt der Zündung in der Nähe der Zündkerze ein reiches Luft-Brennstoff-Gemisch vorhanden ist, um dann mit einer schnellen Flammenbildung die maßgebliche Voraussetzung für eine Kleinhaltung der in den Auspuffgasen enthaltenen Schadstoffe zu schaffen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß durch die Unterbrechung der Einspritzung zunächst nur einer Teilmenge des Brennstoffs kurz nach der oberen Totpunktlage des Kolbens bei dessen fortgesetzter Bewegung hin zu der unteren Totpunktlage die dann noch weiterhin in den Brennraum zuströmende Verbrennungsluft die Verdampfung und Vernebelung des Brennstoffs unterstützt, der zu diesem Zeitpunkt in der Vertiefung des Kolbenbodens eingefangen ist. Dadurch wird weitgehend verhindert, daß die Zylinderwand durch Brennstofftröpfchen angenäßt wird, weil solche Tröpfchen auf ihrem Weg von der Vertiefung zu der Zylinderwand durch die nachströmende Verbrennungsluft verwirbelt und als Folge dieser Verwirbelung vernebelt und damit schließlich auch verdampft werden. Als Folge davon wird umgekehrt durch den vernebelten und verdampften Brennstoff von der Zylinderwand Wärme absorbiert, wodurch die nachströmende Verbrennungsluft eine Kühlung erfährt und somit der volumetrische Wirkungsgrad verbessert wird. Durch die Einspritzung der restlichen Teilmenge des Brennstoffs erst kurz vor der Zündung wird andererseits an der Zündkerze ein reiches Luft-Brennstoff-Gemisch als maßgebliche Voraussetzung dafür bereit gestellt, daß mit diesem Betreiben einer Brennkraftmaschine Auspuffgase mit einem relativ niedrigen Anteil an Schadstoffen erhalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine geschnittene Teilansicht einer Kolben-Zylinder-Anordnung einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge zeigt.

Die dargestellte Kolben-Zylinder-Anordnung 10 umfaßt einen in einem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ausgebildeten Zylinder 12 und einen Kolben 14, dessen Kolbenboden eine Vertiefung 22 aufweist. Die Vertiefung 22 vergrößert einen Brennraum 20, der zwischen dem Kolben 14 und einer am Zylinderkopf 18 der Brennkraftmaschine ausgebildeten Zylinderdecke 16 vorhanden ist. Die Vertiefung 22 des Kolbenbodens hat vorzugsweise eine Größe von etwa 40 bis 75% der gesamten Verdichtungsfläche des Brennraumes 20, der im übrigen so bemessen werden sollte, daß damit ein Kompressionsverhältnis von etwa 13 :1 bei Verwendung von Methanol erhalten wird.

Der Zylinderkopf 18 weist die üblichen Einlaß- und Auslaßventile 24 und 26 an Ein- und Auslaßkanälen 28 und 30 auf. Der Einlaßkanal 28 ist dabei so angelegt, daß die über ihn zugeführte Verbrennungsluft eine mäßige

ίο Verwirbelung beim Eintritt in den Brennraum 20 erfährt. Der Auslaßkanal 30 kann mit einem keramischen Material oder mit einem Blech ausgekleidet werden, um damit eine bessere Wärmekonservierung zu erhalten. In dem Zylinderkopf 18 ist außerdem an einer zentralen Stelle des Brennraumes 20 eine Einspritzdüse 32 achsgleich mit dem Zylinder 12 angeordnet, deren Düsenaustritt 34 für die Bereitstellung eines Sprühkegels von etwa 80° ausgebildet ist. Dadurch kann in der dargestellten Relativlage des Kolbens 14 dessen gesamte Vertiefung 22 überdeckt werden, so daß alles in dieser Relativlage des Kolbens mittels der Einspritzdüse 32 in den Brennraum 20 eingespritzte Methanol direkt von der Vertiefung 22 aufgenommen wird. Die Einspritzung des Methanols soll unter mäßigem Druck unter Verwendung einer Einspritzpumpe erfolgen, die beispielsweise auf einen Förderdruck von etwa 1,8 N/mm² ausgelegt ist. Der Düsenaustritt 34 der Einspritzdüse 32 soll andererseits so ausgebildet sein, daß damit eine ausreichende Zerstäubung des Methanols mit einer relativ geringen Durchdringungsrate erhalten wird. Neben der Einspritzdüse 32 ist schließlich noch eine Zündkerze 36 in dem Zylinderkopf 18 so angeordnet, daß ihre Zündelektroden in unmittelbarer Nähe des Düsenaustritts 34 liegen.

Die in der Zeichnung dargestellte Relativlage des Kolbens 14 liegt bei einem Kurbelwinkel von etwa 65° nach der oberen Totpunktlage des Kolbens vor. In dieser Relativlage ist die Einspritzung der Hauptmenge des Methanols, die etwa 75 bis 90% der Gesamtmenge betragen sollte, bereits abgeschlossen, womit ersichtlich ist, daß mit einem Beginn dieser Einspritzung kurz nach der oberen Totpunktlage des Kolbens während des Einlaßhubes eine Annässung der Zylinderwand wirksam verhindert werden kann. Während der weiteren Bewegung des Kolbens zu der unteren Totpunktlage hin bewirkt dann die über den Einlaßkanal 28 nachströmende Verbrennungsluft zunächst eine Verwirbelung des in der Vertiefung 22 enthaltenen Brennstoffs und damit nachfolgend eine Vernebelung und schließlich auch eine Verdampfung, womit während dieses weiteren Weges des Kolbens ebenfalls verhindert wird, daß einzelne Tröpfchen die Zylinderwand erreichen. Durch diese Verdampfung wird andererseits durch Wärmeaufnahme eine Kühlung der Zylinderwand erhalten, was zu einer Kühlung der nachströmenden Verbrennungsluft und damit zu einer Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine führt. Durch die Abkühlung wird gleichzeitig eine Verringerung der Stickstoffoxide erhalten, die sich bei der späteren Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches bilden.

Dieser Vernebelung und Verdampfung des Methanols findet während des gesamten Einlaßhubes statt. Wenn sich der Kolben nachfolgend während seines Verdichtungshubes der oberen Totpunktlage nähert, dann wird die verbleibende Restmenge des Methanols von etwa 10 bis 25% der Gesamtmenge bei einem Kurbelwinkel von etwa 30 bis 50° vor der oberen Totpunktlage eingespritzt, so daß in der Nähe der Zündelektroden der

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Zündkerze 36 kurz vor der Zündung ein ziemlich reiches Luft-Brennstoff-Gemisch erhalten wird. Dadurch wird bei der Zündung eine Zündflamme erhalten, die ebenfalls eine Kleinhaltung der in den Auspuffgasen enthaltenen Schadstoffe sicherstellt und dabei selbst im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine eine schnelle Entwicklung in dem Brennraum 20 erfährt. Es können daher auch die Verbrennungsgase über den Auslaßkanal 30 rasch ausgespült werden, was für ihre für eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades und eine damit unmittelbar verbundene Erniedrigung des Anteils der Stickstoffoxide zweckmäßig vorgesehene Rezirkulation entsprechend vorteilhaft ist.

Die latente Verdampfungswärme von Methanol beträgt etwa 5% des Heizwertes. Unter Berücksichtigung dieses Hinweises ist wichtig, daß eine einmalige Einspritzung der gesamten Methanolmenge erst während des Verdichtungshubes des Kolbens kurz vor der Zündung den Nachteil ergeben würde, daß dann die für die Verdampfung benötigte Wärme hauptsächlich dem verdichteten Gas entzogen werden muß. Als Folge davon würde sich eine beträchtliche Verschlechterung des thermodynamischen Wirkungsgrades angenähert in der gleichen Größenordnung von etwa 5% des Heizwertes von Methanol ergeben. Eine direkte Einspritzung der gesamten Methanolmenge in den Zylinder während des gesamten Einlaßhubes und/oder nur anfänglich während des Verdichtungshubes des Kolbens läßt diesen Nachteil zwar vermeiden, jedoch wird damit andererseits der Nachteil erhalten, daß dann die Zylinderwand eine Annässung erfährt und damit das zur Schmierung des Kolbenlaufs verwendete Schmieröl mit der Folge eines verstärkten Verschleißes der Kolbenringe und der Zylinderwand verdünnt wird. Mit der vorbeschriebenen zweistufigen Einspritzung der gesamten Methanolmenge wird demgegenüber sowohl eine Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades erhalten als auch ein guter volumetrischer Wirkungsgrad erzielt, wobei beide Faktoren dazu beitragen, den Anteil insbesondere der Stickstoffoxide in den Auspuffgasen selbst im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine niedrig zu halten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

34 OO 306 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen mit einem unverdünnten Brennstoff von hoher latenter Verdampfungswärme, wie insbesondere Methanol, unter Verwendung einer Kolben-Zylinder-Anordnung, bei welcher der Sprühkegel einer gemeinsam mit einer Zündkerze bezüglich des Brennraumes zentral angeordneten Einspritzdüse auf eine den Brennraum vergrößernde Vertiefung im Kolbenboden ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem nur schwach verwirbelten und bis zum Erreichen der unteren Totpunktlage desKolbens fortgesetzten Einlaß der Verbrennungsluft in den Brennraum der Kolben-Zylinder-Anordnung zum Beginn des Einlaßhubes zunächst nur eine Teilmenge des Brennstoffs kurz nach der oberen Totpunktlage des Kolbens im wesentlichen vollständig in die Vertiefung des Kolbenbodens unter mäßigem Druck kurzzeitig und mit einer zur Erzielung einer nur langsamen Durchdringung der anfänglich eingelassenen Luftmenge ausreichenden Einspritzrate eingespritzt wird, und daß die verbleibende Restmenge des Brennstoffs erst während des Verdichtungshubes des Kolbens kurz vor der Zündung des Luft-Brennstoff-Gemisches eingespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zuerst mit einer Teilmenge zwischen etwa 75 und 90% der Gesamtmenge eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilmengen des Brennstoffs mit nur einer Einspritzdüse aufeinanderfolgend in den Brennraum eingespritzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Restmenge des Brennstoffs bei einem Kurbelwinkel von etwa 30 bis 50° vor der oberen Totpunktlage des Kolbens eingespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung der «rsten Teilmenge des Brennstoffs bei einem Kurbelwinkel von etwa 60° nach der oberen Totpunktlage des Kolbens beendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben verwendet wird, bei dem die Vertiefung des Kolbenbodens eine Größe von etwa 40 bis 75% der gesamten Verdichtungsfläche des Brennraumes hat.