DE4209163A1 - Gemischbildungs-verfahren fuer gemischverdichtende, fremdgezuendete brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 auf ein Verfahren zur Bildung eines ho­ mogenen Brennstoff-Luftgemisches bei äußerer Gemischbil­ dung für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraft­ maschinen, insbesondere Hubkolbenmotore.

Bei einer äußeren Gemischbildung wird bekanntlich der Brennstoff vom jeweiligen Brennraum der Brennkraftma­ schine entfernt in Abschnitten einer Ansauganlage der An­ saugluft zugemessen. Entlang des Strömungsweges von der Brennstoff-Zumeßstelle bis in den Brennraum wird eine Ho­ mogenisierung des Brennstoff-Luftgemisches angestrebt, insbesondere durch strömungstechnische Maßnahmen erzeugte Turbulenzen sowie durch Wärmezufuhr über relativ heiße Maschinenteile im Bereich der Strömungswege. Die homogene Vermischung des Brennstoffes mit dem in der Ansaugluft vorhandenen Sauerstoff fördert die Leistungsausbeute und bewirkt günstige Abgasqualitäten.

Mit modernen Gemischbildungs-Einrichtungen wird beim La­ dungswechsel eines Brennraumes der jeweiligen Gesamt­ luftmasse zwar eine im wesentlichen luftzahlabhängig kor­ rekte Brennstoffmenge zugemessen, jedoch bewirkt die im allgemeinen über die Zumeß-Dauer konstant zugemessene Brennstoffmenge relativ zu den zeitlich veränderlichen Luftstrommassen eines im wesentlichen instationären Luft­ massenstromes eine die Homogenisierung nachteilig beein­ flussende ungleiche Massenverteilung von Brennstoff und Ansaugluft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches der­ art zu verbessern, daß bereits am Ort der Brennstoff-Zu­ messung im gesamten Betriebsbereich der Brennkraft­ maschine ein im wesentlichen homogenes Brennstoff-Luftge­ misch erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruches 1 dadurch gelöst, daß einem am jeweiligen Lastpunkt beim Ladungswechsel instationären Luftmassen­ strom eine entsprechend lastabhängige Brennstoffmenge in jeweiligen, momentanen Luftstrommassen im wesentlichen luftmassenstromabhängigen Brennstoffmassen während einer vorbestimmten Zumeß-Dauer zugemessen wird.

Grundgedanke der Erfindung ist, bei einem instationären und damit über die Zumeß-Dauer sich verändernden Luft­ massenstrom den augenblicklichen bzw. momentanen Luft­ strommassen jeweilige Brennstoffmassen in einem im we­ sentlichen proportionalen Verhältnis zuzumessen. Erreicht wird damit bereits am Ort der Brennstoff-Zumessung ein weitgehend homogenes Brennstoff-Luftgemisch durch eine vorteilhafte Massenverteilung von Brennstoff und Ansaug­ luft.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die luftmassenstromabhängige Brennstoff- Zumessung in Abhängigkeit der für den jeweiligen Brenn­ stoff relevanten Luftzahl (λ) gewählt.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, bei einem insta­ tionären Luftmassenstrom eines Ladungswechsels einer zeitbezogenen Luftstrommasse die jeweilige lastpunktab­ hängige Brennstoffmasse im gewünschten Verhältnis zuzu­ setzen mit dem weiteren Vorteil, daß Druck- und Ge­ schwindigkeits-Verhältnisse in jeder zeitbezogenen Luft­ strommasse Diffusionsvorgänge des zugemessenen Brennstof­ fes hinsichtlich Gemischhomogenisierung optimal unter­ stützen.

Mit der Erfindung kann mit Einsetzen eines Ladungs­ wechsel-Luftstromes die jeweilige Brennstoffmenge im we­ sentlichen proportional zugesetzt werden. Da eine Homoge­ nisierung des jeweiligen Brennstoff-Luftgemisches auch wesentlich von der Strömungsgeschwindigkeit des Luft­ massenstromes abhängt, wird in weiterer Fortbildung des Verfahrens vorgeschlagen, daß der Beginn der Zumeß-Dauer gegenüber dem Strömungsbeginn eines Luftmassenstromes später gewählt wird. Dies hat für eine Gemischbildungs- Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens den Vorteil, daß deren Brennstoff-Zumeßeinrich­ tung gemäß einem weiteren Vorschlag nach einer Sprung­ funktion geöffnet werden kann. Zum einen sind derartige Einrichtungen kostengünstig realisierbar, und zum anderen erfolgt der Beginn der Brennstoff-Zumessung bei einer für die Homogenisierung günstigeren Strömungsgeschwindigkeit des Luftmassenstromes, so daß bereits am Zumeß-Ort eine vorteilhafte Durchmischung gegeben ist.

Der bevorzugt verspätete Zumeß-Beginn erzielt als weite­ ren Vorteil einen beim Ladungswechsel dem mit Brennstoff befrachteten Teil des Luftmassenstromes vorausströmenden brennstofffreien Anteil des Luftmassenstromes, der bei im wesentlichen unwirksamer oder nicht gegebener Ventil- bzw. Steuerorgan-Überschneidung insbesondere der Ver­ dünnung der im Brennraum verbliebenden Abgasreste dient. Bei gegebener, insbesondere variabler Steuerorgan-Über­ schneidung kann der brennstofffreie Luftmassenstrom-An­ teil einer positiven Brennraum-Spülung mit Kühlung von Brennraumbegrenzungen dienen.

Gemäß einem weiteren Vorschlag wird das Ende der Zumeß­ dauer gegenüber dem Strömungsende eines Luftmassenstromes früher gewählt. Erreicht ist damit in vorteilhafter Weise ein dem mit Brennstoff befrachteten Teil des Luftmassen­ stromes nachströmender, brennstofffreier Anteil des Luft­ massenstromes bei einem Ladungswechsel. Dieser nach­ strömende, brennstofffreie Luftpfropfen wirkt einem mög­ lichen Zurückschieben eines Brennstoff-Luftgemisches in die Ansauganlage entgegen und verringert andererseits die Gefahr der Bildung oder des Vorliegens zündfähiger Brenn­ stoff-Luftgemische in der Ansauganlage.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Unter­ teilung eines ladungsbezogenen Luftmassenstromes in brennstofffreie Anteile zu Anfang und zu Ende und einem Teil dazwischen mit im wesentlichen luftmassenstromab­ hängig zugemessenem Brennstoff ist besonders vorteilhaft bei gasförmig zugegebenen Brennstoffen, wie z. B. Wasser­ stoff.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens können Beginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer lastpunktabhängig veränder­ bar gewählt werden. Dadurch können die Massen der brenn­ stofffreien Anteile eines ladungsbezogenen Luftmassen­ stromes hinsichtlich Restgasverdünnung, Brennraum-Küh­ lung, Brennraum-Spülung und Freispülen der Ansauganlage von Gemischresten optimiert werden.

Schließlich kann eine am Zumeß-Ort eingeleitete Homogeni­ sierung des Brennstoff-Luftgemisches vorteilhaft unter­ stützt werden durch einen während der Zumeß-Dauer konti­ nuierlich und/oder diskontinuierlich wählbaren, im wesent­ lichen luftmassenstromabhängig gesteuerten Zumeß-Quer­ schnitt der Zumeß-Einrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet mit der im wesent­ lichen massenproportionalen Zuordnung von Brennstoff und Ansaugluft vom Zumeß-Ort bis zur Zündung im Brennraum einen relativ langen Strömungsweg zur Homogenisierung, wobei strömungsgegebene Turbulenzen sowie durch Druck/Geschwindigkeit und Temperatur beeinflußbare Dif­ fusionen des Brennstoffes in der Ansaugluft eine gleich­ mäßige Verteilung des Brennstoffes in der Ansaugluft zu­ sätzlich unterstützen. Somit erübrigt sich ein soge­ nanntes Überfetten des Gemisches zur Erzielung einer ein­ wandfreien Zündung, und die Gefahr eines heterogenen Ge­ misches mit selbstzündenden Bereichen ist vermieden. Weiter erübrigt der relativ lange Strömungsweg auch zu­ sätzliche Maßnahmen der Turbulenzerzeugung.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für gas­ förmige Brennstoffe kann die luftmassenstromabhängige, insbesondere luftzahlabhängige Brennstoff-Zumessung vor­ teilhaft bei den Zumeß-Querschnitt relativ langsam steuernden Gemisch-Bildungseinrichtungen eingesetzt wer­ den, da diese nach Baugröße, Gewicht und Leistungsbedarf kostengünstiger sind. Dies schließt die weiter vorn er­ wähnten Sprungfunktionen bei Beginn und/oder Ende der Zu­ meß-Dauer nicht aus, wenn die Werte der Sprungfunktionen relativ klein gewählt sind.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren beschrie­ ben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung eines homo­ genen Brennstoff-Luftgemisches bei äußerer Gemischbildung für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraft­ maschinen, insbesondere Hubkolbenmotore, kennzeichnet sich dadurch, daß einem am jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine beim Ladungswechsel instationären Luftmassenstrom eine entsprechend lastabhängige Brenn­ stoffmenge über eine vorbestimmte Zumeß-Dauer im wesent­ lichen luftmassenstromabhängig zugemessen wird. Der Zweck des neuartigen Verfahrens ist darin zu sehen, durch im wesentlichen massenproportionale Zumischung des Brenn­ stoffes zur Ansaugluft am Zumeß-Ort bereits ein im we­ sentlichen homogenes Brennstoff-Luftgemisch zu bilden. Der wesentliche Vorteil der bei der Gemisch-Bildung ein­ setzenden Homogenisierung liegt in einem relativ langen Strömungsweg bis zur Zündung im Brennraum, wobei über die Länge des Strömungsweges eine weitere Homogenisierung durch Turbulenzen und Diffusionen des Brennstoffes ange­ regt wird.

Eine die Homogenisierung des Brennstoff-Luftgemisches am Zumeß-Ort besonders unterstützende Maßnahme besteht darin, daß die Brennstoffmenge zumindest über einen Teil der vorbestimmten Zumeß-Dauer relativ zu momentanen Luft­ strommassen im wesentlichen luftzahlabhängig zugemessen wird. Diese Lambda-konstante Brennstoffzumessung ergibt am Ende des relativ langen Strömungsweges kurz vor der Entflammung durch eine Zündkerze im Brennraum ein im we­ sentlichen homogenes Brennstoff-Luftgemisch, das neben einer guten Leistungsausbeute auch eine günstige Abgas­ qualität bewirkt.

Das Verfahren, einem instationären Luftmassenstrom eine Brennstoffmenge im wesentlichen luftmassenstromabhängig zuzumessen, eröffnet die Möglichkeiten, sowohl den Beginn als auch das Ende der Zumeß-Dauer gegenüber dem Strömungsbeginn und gegenüber dem Strömungsende des Luft­ massenstromes variabel zu wählen, wobei der Beginn später und das Ende früher gewählt werden. Dies bewirkt für jeden ladungsbezogenen Luftmassenstrom eine Unterteilung in der Weise, daß der Luftmassenstrom zu Anfang und zu Ende jeweils brennstofffreie Anteile umfaßt. Der dem mit Brennstoff befrachteten Teil des Luftmassenstromes vo­ rausströmende brennstofffreie Anteil kann der Verdünnung der Restabgase im Brennraum dienen, oder er kann bei ent­ sprechend gestalteter Ventil- bzw. Steuerorgan-Auslegung auch einer positiven Spülung mit Kühlung brenn­ raumbegrenzender Wandungen dienen. Der nacheilende, brennstofffreie Anteil des Luftmassenstromes dient als ein Luftpfropfen, der einem Zurückschieben von Brenn­ stoff-Luftgemisch in die Ansauganlage entgegenwirken kann. Er kann weiter für den nächsten Ladungswechsel zur Freispülung der Ansauganlage von Gemischresten dienen. Das Verfahren kennzeichnet sich weiter dadurch, daß Be­ ginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer lastpunktabhängig ver­ änderbar gewählt werden.

Um weiter die Homogenisierung am Zumeß-Ort durch eine entsprechende Geschwindigkeit im Luftmassenstrom günstig zu beeinflussen, kann ein Zumeß-Querschnitt einer Brenn­ stoff-Zumeßeinrichtung zu Beginn und/oder Ende der Zumeß- Dauer nach einer Sprungfunktion geöffnet und/oder ge­ schlossen werden. Bevorzugt sind dabei relativ geringe Werte für die Sprungfunktionen, um durch relativ langsame Querschnittssteuerungen vorteilhafte Zumeß-Einrichtungen einsetzen zu können. Während der Zumeß-Dauer können die luftmassenstromabhängig zugemessenen Brennstoffmassen für momentane Luftstrommassen kontinuierlich und/oder dis­ kontinuierlich variabel gewählt werden.

Schließlich wird das Verfahren bevorzugt verwendet bei gasförmigen Brennstoffen und hierbei insbesondere für Wasserstoff.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bildung eines homogenen Brennstoff- Luftgemisches bei äußerer Gemischbildung für ge­ mischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftma­ schinen, insbesondere Hubkolbenmotore, dadurch gekennzeichnet, daß einem am jeweiligen Lastpunkt beim Ladungs­ wechsel instationären Luftmassenstrom eine ent­ sprechend lastabhängige Brennstoffmenge in jeweiligen, momentanen Luftstrommassen i. w. luftmassenstromabhängig gewählten Brennstoffmassen während einer vorbestimmten Zumeß-Dauer zugemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffmenge zumindest über einen Teil der vorbestimmten Zumeß-Dauer relativ zu momentanen Luftstrommassen im wesentlichen abhängig einer vorbestimmten Luftzahl ( ) zugemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Zumeß-Dauer gegenüber dem Strömungsbeginn eines Luftmassenstromes später ge­ wählt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Zumeß-Dauer gegenüber dem Strömungsende eines Luftmassenstromes früher ge­ wählt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Beginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer last­ punktabhängig veränderbar gewählt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu Beginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer ein Zu­ meß-Querschnitt einer Brennstoff-Zumeßeinrichtung nach einer Sprungfunktion geöffnet und/oder ge­ schlossen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der während der Zumeß-Dauer im wesentlichen luftmassenstromabhängig gesteuerte Zumeß-Quer­ schnitt kontinuierlich und/oder diskontinuierlich variabel gewählt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung bei gasförmigen Brennstoffen, insbesondere Wasserstoff.