DE4209163B4

DE4209163B4 - Gemischbildungs-Verfahren für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4209163B4
Application number: DE4209163A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christian Fickel; Wolfgang Strobl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1992-03-20
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: DE4209163A1

Abstract

Verfahren zur Bildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches bei äußerer Gemischbildung für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen, insbesondere mit einem gasförmigen Brennstoff,
– wobei beim Ladungswechsel einem dem jeweiligen Lastpunkt entsprechenden Luftmassenstrom eine jeweilige lastabhängige Brennstoffmenge zugemessen wird,
dadurch gekennzeichnet,
– dass in einem jeweiligen ladungsbezogen instationären, über eine Brennstoff–Zumessdauer sich verändernden Luftmassenstrom einer jeweiligen augenblicklichen bzw. momentanen Luftstrommasse im Bereich einer Brennstoff-Zumesseinrichtung eine jeweils luftmassenstromabhängig gewählte Brennstoffmasse zugemessen wird, und
– dass zumindest über einen Teil der vorbestimmten Brennstoff-Zumessdauer die den jeweiligen momentanen Luftstrommassen zugemessenen Brennstoffmassen jeweils in Abhängigkeit einer für den jeweiligen Brennstoff relevanten Luftzahl (λ) gewählt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf ein Verfahren zur Bildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches bei äußerer Gemischbildung für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen, insbesondere mit einem gasförmigen Brennstoff, wobei beim Ladungswechsel einem dem jeweiligen Lastpunkt entsprechenden Luftmassenstrom eine jeweilige lastabhängige Brennstoffmenge zugemessen wird.
Bei einer äußeren Gemischbildung wird bekanntlich der Brennstoff der Ansaugluft vom jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolbenmotors, entfernt in Abschnitten einer Ansauganlage zugemessen. Entlang des Strömungsweges von der Brennstoff-Zumeßstelle bis in den Brennraum wird eine Homogenisierung 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 einer modernen Gemischbildungs-Einrichtung, wie beispielsweise in der gattungsbildenden deutschen Offenlegungsschrift DE 36 22 158 A1 gezeigt und beschrieben, wird beim Ladungswechsel eines Brennraumes dem von diesem angesaugten Luftmassenstrom eine im wesentlichen luftzahlabhängig und lastabhängig korrekte Brennstoffmenge zugemessen. Diese Brennstoffmenge ist betragsmäßig beispielsweise aus einer zylinderindividuellen Luftmassenstrom-Messung abgeleitet und wird dem zylinderindividuellen Luftmassenstrom während der Zumessdauer annähernd proportional zugeführt.
Bekanntlich weisen z. B. gemäß der DE 37 28 118 A1 Ansaug-Luftmassenströme nicht nur bei einem instationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine je Zeiteinheit veränderliche Durchsatzwerte auf, sondern, wie allgemein bekannt, auch jeder zylinderindividuelle Luftmassenstrom aufgrund des jeweiligen Verlaufes des zylinderindividuellen Ansaugunterdruckes.
Für den zuletzt genannten Fall eines veränderlichen Luftmassenstromes je ansaugenden Zylinder der Brennkraftmaschine bewirkt eine über die Zumessdauer im wesentlichen konstant zugemessene Brennstoffmenge relativ zu den zeitlich veränderlichen Luftstrommassen eines zylinderindividuellen, instationären Luftmassenstromes eine die Homogenisierung nachteilig beeinflussende ungleiche Massenverteilung von Brennstoff und Ansaugluft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches derart zu verbessern, dass bereits am Ort der Brennstoff-Zumessung im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein im wesentlichen homogenes Brennstoff-Luftgemisch erzeugt wird.
Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 gelöst.
Grundgedanke der Erfindung ist, in einem zylinderindividuellen, instationären Ansaug-Luftmassenstrom mit veränderlichen Durchsatzwerten einer augenblicklichen bzw. momentanen Teil-Luftstrommasse im Bereich der Brennstoff-Zumesseinrichtung eine luftzahlproportionale Brennstoffmasse zuzumessen. Erreicht wird damit bereits am Ort der Brennstoff-Zumessung ein weitgehend homogenes Brennstoff-Luftgemisch durch eine vorteilhafte Massenverteilung von Brennstoff und Ansaugluft. Weiter kann mit der Erfindung einer zylinderindividuellen Teil-Luftstrommasse die jeweilige lastpunktabhängig anteilige Brennstoffmasse im gewünschten Verhältnis zugesetzt werden mit dem weiteren Vorteil, dass Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse in jeder zeitbezogenen Teil-Luftstrommasse Diffusionsvorgänge des zugemessenen Brennstoffes hinsichtlich Gemischhomogenisierung optimal unterstützen.
In einer ersten Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass der Beginn der Zumessdauer gegenüber dem Strömungsbeginn eines Luftmassenstromes später gewählt wird. Dies hat für eine Gemischbildungs-Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteil, daß deren Brennstoff-Zumeßeinrichtung gemäß einem weiteren Vorschlag nach einer Sprungfunktion 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 weiteren 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 Verdünnung der im Brennraum verbliebenden Abgasreste dient. Bei gegebener, insbesondere variabler Steuerorgan-Überschneidung kann der brennstofffreie Luftmassenstrom-Anteil einer positiven Brennraum-Spülung mit Kühlung von Brennraumbegrenzungen dienen.
Gemäß einem weiteren Vorschlag wird das Ende der Zumeßdauer gegenüber dem Strömungsende eines Luftmassenstromes früher gewählt. Erreicht ist damit in vorteilhafter Weise ein dem mit Brennstoff befrachteten Teil des Luftmassenstromes nachströmender, brennstofffreier Anteil des Luftmassenstromes bei einem Ladungswechsel. Dieser nachströmende, brennstofffreie Luftpfropfen wirkt einem möglichen Zurückschieben eines Brennstoff-Luftgemisches in die Ansauganlage entgegen und verringert andererseits die Gefahr der Bildung oder des Vorliegens zündfähiger Brennstoff-Luftgemische in der Ansauganlage.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Unterteilung eines ladungsbezogenen Luftmassenstromes in brennstofffreie Anteile zu Anfang und zu Ende und einem Teil dazwischen mit im wesentlichen luftmassenstromabhängig zugemessenem Brennstoff ist besonders vorteilhaft bei gasförmig zugegebenen Brennstoffen, wie z. B. Wasserstoff.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens können Beginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer lastpunktabhängig veränderbar gewählt werden. Dadurch können die Massen der brennstofffreien Anteile eines ladungsbezogenen Luftmassenstromes hinsichtlich Restgasverdünnung, Brennraum-Küh lung, Brennraum-Spülung und Freispülen der Ansauganlage von Gemischresten optimiert werden.
Schließlich kann eine am Zumeß-Ort eingeleitete Homogenisierung des Brennstoff-Luftgemisches vorteilhaft unterstützt werden durch einen während der Zumeß-Dauer kontinuierlich und/oder diskontiuierlich wählbaren, im wesentlichen luftmassenstromabhängig gesteuerten Zumeß-Querschnitt der Zumeß-Einrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet mit der im wesentlichen 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 Diffusionen des Brennstoffes in der Ansaugluft eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes in der Ansaugluft zusätzlich unterstützen. Somit erübrigt sich ein sogenanntes Überfetten des Gemisches zur Erzielung einer einwandfreien Zündung, und die Gefahr eines heterogenen Gemisches mit selbstzündenden Bereichen ist vermieden. Weiter erübrigt der relativ lange Strömungsweg auch zusätzliche Maßnahmen der Turbulenzerzeugung.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für gasförmige Brennstoffe kann die luftmassenstromabhängige, insbesondere luftzahlabhängige Brennstoff-Zumessung vorteilhaft bei den Zumeß-Querschnitt relativ langsam steuernden Gemisch-Bildungseinrichtungen eingesetzt werden, da diese nach Baugröße, Gewicht und Leistungsbedarf kostengünstiger sind. Dies schließt die weiter vorn erwähnten Sprungfunktionen bei Beginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer nicht aus, wenn die Werte der Sprungfunktionen relativ klein gewählt sind.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches bei äußerer Gemischbildung für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmotore, kennzeichnet sich dadurch, daß einem am jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine beim Ladungswechsel instationären Luftmassenstrom eine entsprechend lastabhängige Brennstoffmenge über eine vorbestimmte Zumeß-Dauer im wesentlichen luftmassenstromabhängig zugemessen wird. Der Zweck des neuartigen Verfahrens ist darin zu sehen, durch im wesentlichen massenproportionale Zumischung des Brennstoffes zur Ansaugluft am Zumeß-Ort bereits ein im wesentlichen homogenes Brennstoff-Luftgemisch zu bilden. Der wesentliche Vorteil der bei der Gemisch-Bildung einsetzenden 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 angeregt 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 Luftstrommassen 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 wesentlichen homogenes Brennstoff-Luftgemisch, das neben einer guten Leistungsausbeute auch eine günstige Abgasqualität 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 Luftmassenstromes 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 vorausströmende brennstofffreie Anteil kann der Verdünnung der Restabgase im Brennraum dienen, oder er kann bei entsprechend gestalteter Ventil- bzw. Steuerorgan-Auslegung auch einer positiven Spülung mit Kühlung brennraumbegrenzender Wandungen dienen. Der nacheilende, brennstofffreie Anteil des Luftmassenstromes dient als ein Luftpfropfen, der einem Zurückschieben von Brennstoff-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 Beginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer lastpunktabhängig veränderbar gewählt werden.
Um weiter die Homogenisierung am Zumeß-Ort durch eine entsprechende Geschwindigkeit im Luftmassenstrom günstig zu beeinflussen, kann ein Zumeß-Querschnitt einer Brennstoff-Zumeßeinrichtung zu Beginn und/oder Ende der Zumeß-Dauer nach einer Sprungfunktion geöffnet und/oder geschlossen 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 diskontinuierlich variabel gewählt werden.
Schließlich wird das Verfahren bevorzugt verwendet bei gasförmigen Brennstoffen und hierbei insbesondere für Wasserstoff.

Claims

Verfahren zur Bildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches bei äußerer Gemischbildung für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen, insbesondere mit einem gasförmigen Brennstoff, – wobei beim Ladungswechsel einem dem jeweiligen Lastpunkt entsprechenden Luftmassenstrom eine jeweilige lastabhängige Brennstoffmenge zugemessen wird, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem jeweiligen ladungsbezogen instationären, über eine Brennstoff–Zumessdauer sich verändernden Luftmassenstrom einer jeweiligen augenblicklichen bzw. momentanen Luftstrommasse im Bereich einer Brennstoff-Zumesseinrichtung eine jeweils luftmassenstromabhängig gewählte Brennstoffmasse zugemessen wird, und – dass zumindest über einen Teil der vorbestimmten Brennstoff-Zumessdauer die den jeweiligen momentanen Luftstrommassen zugemessenen Brennstoffmassen jeweils in Abhängigkeit einer für den jeweiligen Brennstoff relevanten Luftzahl (λ) gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Beginn der Zumess-Dauer gegenüber dem Strömungsbeginn eines Luftmassenstromes später gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das Ende der Zumess-Dauer gegenüber dem Strömungsende eines Luftmassenstromes früher gewählt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, – dass Beginn und/oder Ende der Zumess-Dauer lastpunktabhängig veränderbar gewählt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass zu Beginn und/oder Ende der Zumess-Dauer ein Zumess-Querschnitt einer Brennstoff-Zumesseinrichtung nach einer Sprungfunktion geöffnet und/oder geschlossen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass der während der Zumess-Dauer im wesentlichen luftmassenstromabhängig gesteuerte Zumess-Querschnitt kontinuierlich und/oder diskontinuierlich variabel gewählt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von gasförmig zugeführtem Wasserstoff.