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Dokumentenidentifikation DE60016431T2 25.05.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001216346
Titel VERFAHREN ZUM REGELN DER BRENNSTOFFEINSPRITZUNG IN EINER BRENNKRAFTMASCHINE
Anmelder AB Volvo, Göteborg, SE
Erfinder ANDERSSON, Arne, S-435 42 Mölnlycke, SE;
HÖGLUND, Anders, S-430 33 Fjäras, SE;
EISMARK, Jan, S-414 72 Göteborg, SE
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 60016431
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.09.2000
EP-Aktenzeichen 009682733
WO-Anmeldetag 29.09.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/SE00/01889
WO-Veröffentlichungsnummer 0001023717
WO-Veröffentlichungsdatum 05.04.2001
EP-Offenlegungsdatum 26.06.2002
EP date of grant 01.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.05.2005
IPC-Hauptklasse F02B 3/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln der Brennstoffeinspritzung in einem Verbrennungsmotor, umfassend einen Kolben, der sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen und einem unteren Todpunkt hin- und herbewegt, sowie eine Einspritzdüse, welche in dem Zylinder angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte, bei denen eine erste Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder verwirklicht wird, der Brennstoff gezündet und bewirkt wird, dass der Kolben in die Richtung auf den unteren Todpunkt in dem Zylinder bewegt wird, und bei dem eine Nach-Einspritzung einer Flüssigkeit in den Zylinder verwirklicht wird.

Ein Verbrennungsprozess, bei dem der Brennstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird und durch erhöhte Temperatur und Druck in dem Zylinder gezündet wird, wird üblicherweise als Diesel-Prozess bezeichnet. Wenn der Brennstoff in den Zylinder eingespritzt wird und verbrennt, tritt eine turbulente Vermischung von Verbrennungsgasen, die in dem Zylinder vorliegen, mit dem brennenden Brennstoff ein. Die Verbrennung des Brennstoff/Gas-Gemisches in dem Zylinder erzeugt Hitze, die bewirkt, dass das Gas in dem Zylinder expandiert und dadurch bewirkt, dass der Kolben sich innerhalb des Zylinders bewegt. Abhängig von einer großen Anzahl von Parametern so wie dem Einspritzdruck des Brennstoffs, der Menge an zu dem Zylinder zurückgeführten Abgasen, der Zeit der Zündung des Brennstoffs sowie der in dem Zylinder vorherrschenden Turbulenz und Temperatur werden verschiedene Effizienzwerte so wie Motor-Emissionswerte erzielt.

Konventionelle Verbrennungsmotoren, die nach dem Dieselprozess arbeiten, weisen relativ hohe Werte in Bezug auf abgegebene Emissionen so wie Rußpartikel auf. Während der Expansion sind lokal begrenzt Regionen mit unzureichendem Überschuss an Luft in dem Zylinder zu finden, was in einer unvollständigen Verbrennung des in den Zylinder eingespritzten Brennstoffs führt. Emissionen in der Form von Rußpartikeln, welche die Abgase während des Auslasshubs begleiten werden hierdurch erzeugt.

Es ist bereits bekannt, die Bildung von Rußpartikeln durch frühes Einspritzen des Brennstoffs oder vor dem Expansionshub oder Arbeitshub zu reduzieren, während zur gleichen Zeit versucht wird, die Zündung des Brennstoffs zu verzögern, so dass der Brennstoff verdampft wird und vor der Zündung mit in dem Zylinder vorliegenden Gasen vermischt wird. Es existieren daher Verfahren zum Reduzieren des Gehalts an Emissionen von einem konventionellen Motor. Es bestehen jedoch Beschränkungen bei diesen bekannten Verfahren, welche in extremen Fällen den Motor unbetreibbar machen.

Wenn der Kolben während des Arbeitshubs auf den unteren Todpunkt hin bewegt wird, fallen Druck und Temperatur in dem Zylinder ab. Während der Expansion waren Turbulenz oder Wiedervermischen von Gasen, Brennstoff und gebildeten Rußpartikeln ebenso als vergleichsweise gering in dem Zylinder angesehen, und insbesondere in einem umfänglichen Bereich nahe der Zylinderwand. Allgemein gesprochen führt dies zu einer Reduktion der Oxidation von gebildeten Rußpartikeln während der Expansion, wobei diese unoxidierten Rußpartikel die Abgase des Verbrennungsmotors während des Auslasshubs begleiten.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Brennstoffeinspritzung in einem Verbrennungsmotor derart zu regeln, dass die oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik eliminiert werden und somit der Rußpartikel-Gehalt in den Abgasen des Verbrennungsmotors so gering wie möglich ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Oxidation der Rußpartikel, die in dem Zylinder geformt werden, zu erhöhen, um dadurch die Anzahl von Rußpartikeln in den Abgasen des Verbrennungsmotors zu reduzieren.

Dies wird mittels eines Verfahrens des in der Einleitung beschriebenen Typs, bei dem der Einspritzdruck der Flüssigkeit in der Nach-Einspritzung höher als der Einspritzdruck des Brennstoffs in der Primär-Einspritzung ist, erzielt.

Als Ergebnis der Nach-Einspritzung werden Brennstoff, Gas und Rußpartikel in Bereichen, in denen eine turbulente oder vermischende Bewegung unterblieben ist, dazu angeregt, rezirkuliert und gemischt zu werden, was die Oxidation von Rußpartikeln ermöglicht und beschleunigt. Durch Regeln der Nach-Einspritzung auf eine Weise, dass die Flüssigkeit bei einem höheren Druck eingespritzt wird als der Einspritzdruck des Brennstoffs in der Primär-Einspritzung, werden Regionen, in denen Turbulenzen und Wiedervermischungen unterblieben, schneller erreicht, wodurch eine starke Wiedervermischung in diesen Regionen erzeugt wird.

Die Erfindung wird detaillierter im Folgenden mit Bezug auf die dargestellten Ausführungsformen, die in den beiliegenden Figuren gezeigt sind, beschrieben, in denen

1 eine diagrammartige Ansicht eines Verbrennungsmotors zeigt, in dem eine Primär-Einspritzung von Brennstoff gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert ist,

2 eine diagrammartige Ansicht eines Verbrennungsmotors gemäß 1 zeigt, in dem eine Nach-Einspritzung des Brennstoffs gemäß der Erfindung realisiert ist,

3 eine diagrammartige Ansicht eines Verbrennungsmotors zeigt, in dem eine Primär-Einspritzung sowie eine Nach-Einspritzung von Brennstoff bei unterschiedlichen Schirmwinkeln realisiert ist,

4 den Einspritzdruck als Funktion des Rotationswinkels einer Kurbelwelle, die zu dem Motor gehört, zeigt, und

5 den Rußpartikel-Gehalt als Funktion des Stickoxid-Gehalts in den Abgasen des Verbrennungsmotors zeigt.

1 zeigt eine diagrammartige Ansicht eines Verbrennungsmotors 1, bei dem eine Primär-Einspritzung von Brennstoff gemäß der Erfindung realisiert ist. Der Motor 1 umfasst einen Kolben 3, der sich in einem Zylinder 2 zwischen einem oberen und einem unteren Todpunkt hin- und herbewegt, sowie eine Einspritzdüse 4, die in dem Zylinder 2 angeordnet ist. Ein Saugkanal 5 mit einem angeschlossenen Saugventil 6 erstreckt sich zu dem Zylinder 2 hin und ein Auspuffkanal 7 mit einem angeschlossenen Abgasventil 8 erstreckt sich von dem Zylinder 2 aus. Eine Aufnahme 9 ist in der Oberseite des Kolbens 3 konfiguriert, wobei die Aufnahme 9 eine Verbrennungskammer ausformt. Der Kolben 3 gemäß der dargestellten Ausführungsform, wie sie in 1 gezeigt ist, ist mit einer Kurbelwelle 10 über ein Pleuel 11 verbunden. Es ist jedoch möglich, den Motor als Freikolben-Motor zu konfigurieren, wodurch der Pleuel 11 eliminiert wird. Wie aus 1 ersichtlich, ist der Kolben 3 an dem oberen Todpunkt platziert, wenn eine Primär-Brennstoffeinspritzung in den Zylinder 2 realisiert wird. Vorzugsweise wird der Brennstoff direkt in die Aufnahme 9, die in dem Kolben 3 ausgeformt ist, eingespritzt. Zur gleichen Zeit, da der Brennstoff in den Zylinder 2 eingespitzt wird, wird ein Teil des Brennstoffs mit in den Zylinder 2 gesaugtem Gas vermischt, wobei das Gas aus Luft und jedem zu dem Zylinder 2 rückgeführten Abgasen besteht, wobei die Abgase komprimiert und somit während der Kompression erhitzt wurden. Der Teil des Brennstoffs, der mit dem Gas vermischt wurde, wird in Folge der hohen Temperatur in dem Zylinder 2 gezündet und verbrannt.

Wenn der Teil des Brennstoffs, der vorab mit dem in dem Zylinder 2 vorliegenden Gas vermischt wurde, mit einem Defizit an Sauerstoff verbrennt, werden während der Verbrennung Rußpartikel ausgebildet. In diesem Kontext ist ein Lambda-Wert der Brennstoff/Gas-Mischung definiert. Eine andere Bestimmung für den Lambda-Wert ist der Luftüberschuss-Koeffizient, der als die aktuell zugeführte Menge an Luft, geteilt durch die theoretisch notwendige Menge an Luft für eine vollständige Verbrennung, definiert ist. Wenn der Lambda-Wert größer als Eins ist, ist die Brennstoff/Gas-Mischung schlank, und wenn der Lambda-Wert kleiner als eins ist, ist das Brennstoff/Gas-Gemisch fett. Eine unvollständige Verbrennung des Brennstoff/Gas-Gemisches tritt daher auf, wenn das Gemisch fett ist, so dass Rußpartikel geformt werden. Um ein Minimum an möglicher Erzeugung von Rußpartikeln zu erhalten, wird ein Gemisch von Brennstoff und Gas mit einem Lambda-Wert gleich oder größer als Eins angestrebt. In einem Verbrennungsmotor, bei dem der Brennstoff direkt in den Zylinder eingespritzt und mittels während der Kompression erzeugter Hitze gezündet wird, so wie in einem Dieselmotor, tritt oft eine Streuverbrennung des Brennstoffs auf, was bedeutet, dass der Brennstoff während der Einspritzung prinzipiell in einer ausgebildeten stöchiometrischen Grenze verbrennt. In einem Bereich nahe der stöchiometrischen Grenze, bei der das Brennstoff/Gas-Gemisch fett ist, werden Rußpartikel während der Verbrennung ausgeformt.

Während der Primär-Einspritzung des Brennstoffs in den Zylinder 2 fließt ein Teilvolumen des eingespritzten Brennstoffs über eine umfängliche Kante 12, welche die in dem oberen Teil des Kolbens 3 ausgeformte Aufnahme begrenzt. In Folge der Geometrie des Zylinders 2 und des Kolbens 3 wird dieses Teilvolumen an Brennstoff während der Bewegung des Kolbens 3 in der Richtung nach unten auf die untere Todpunkt-Position vergleichsweise eine kleine kinetische Energie enthalten, so dass die Wiedervermischung zwischen dem in dem Zylinder 2 vorliegenden Gas und dem Brennstoff klein wird, wodurch die Rußpartikel-Bildung erhöht wird. Während der Expansion ist die Turbulenz oder das Wiedervermischen von Brennstoff, Gasen oder ausgeformten Rußpartikeln in dem Zylinder 2 und insbesondere in einem umfänglichen Bereich 13 in dem Zylinder 2 vergleichsweise klein. Das reduzierte Wiedervermischen von Sauerstoff und Rußpartikeln führt zu einer reduzierten Oxidation der ausgeformten Rußpartikel.

Um die Turbulenz und das Wiedervermischen von Sauerstoff und Rußpartikeln in dem Zylinder 2 zu erhöhen, wird gemäß der Erfindung eine Nach-Einspritzung einer Flüssigkeit realisiert, wenn der Kolben 3 in Richtung auf den unteren Todpunkt in dem Zylinder 2 bewegt wurde. Der Einspritzdruck der Flüssigkeit in der Nach-Einspritzung ist höher als der Einspritzdruck des Brennstoffs in der Primär-Einspritzung. Gemäß der einen dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff während der Primär-Einspritzung bei einem Druck von 200–1500 bar, vorzugsweise 300–1000 bar eingespritzt und die Flüssigkeit wird während der Nach-Einspritzung bei einem Druck von 1500–3000 bar, vorzugsweise 16002–000 bar, eingespritzt. Die genannten Unterschiede beim Einspritzdruck können beispielsweise durch die Verwendung einer Einspritz-Einrichtung des Einheits-Einspritztyps erzeugt werden. Der höhere Druck während der Nach-Einspritzung hat den Effekt, dass Brennstoff, Gas sowie Rußpartikel in Bereichen, in denen eine turbulente oder vermischende Bewegung unterblieben ist, nochmals zirkuliert und vermischt oder in größerem Ausmaß zirkuliert und vermischt werden, was die Oxidation von verbleibenden Rußpartikeln ermöglicht und/oder beschleunigt.

Es hat sich als vorteilhaft für die Nach-Einspritzung erwiesen, dass sie zu einer Zeit realisiert wird, die mit dem Drehwinkel &agr; der Kurbelwelle 10 des Motors 1 innerhalb des Bereichs von 20°–60°, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 27°–50°, nach dem oberen Todpunkt in Bezug auf den Arbeitshub des Motors korrespondiert. Besonders gute Resultate in Bezug auf die Oxidation von Rußpartikeln werden erzielt, wenn die Nach-Einspritzung realisiert wird, wenn der Drehwinkel &agr; der Kurbelwelle 10 etwa 40°, vorzugsweise etwa 37° nach dem oberen Todpunkt in Bezug auf den Arbeitshub des Motors ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auf Zweitakt-Motoren und Viertakt-Motoren sowie auf Motoren, die mit noch mehr Takten arbeiten, anwendbar. Wenn der Motor ein Freikolben-Motor ist, können die oben beschriebenen Winkel mit dem Abstand, um den der Kolben in dem Zylinder bewegt wurde oder mit einem korrespondierenden bestimmten Zeitpunkt verglichen werden. 2 stellt dar, wie die Nach-Einspritzung von Brennstoff gemäß der Erfindung realisiert wird.

In der Nach-Einspritzung wurde der Kolben 3 so weit bewegt, dass die Flüssigkeit, die durch die Einspritzdüse 4 eingespritzt wurde, den umfänglichen Bereich 13 oberhalb des Kolbens 3 trifft. Kinetische Energie von der nacheingespritzten Flüssigkeit wird somit auf den Zylinder 2 in dem Bereich zwischen dem oberen Teil des Kolbens 3 und dem oberen Ende 14 des Zylinders 2 zugeführt. Es ist nicht allein der umfängliche Bereich 13, der durch den während der Nach-Einspritzung eingespritzten Brennstoff beeinflusst wird. Ein großer Bereich oberhalb der Gesamtheit des Kolbens 3 und dessen Aufnahme 9 wird mit kinetischer Energie von dem während der Nach-Einspritzung eingespritzten Brennstoff beaufschlagt. Da der Druck in dem Zylinder 2 während der Expansion abgefallen ist und die Flüssigkeit unter hohem Druck zugeführt wurde, penetriert die Flüssigkeit schließlich ein wesentliches Volumen des Bereichs zwischen dem oberen Teil des Kolbens 3 und dem oberen Ende 14 des Zylinders 2. Vorzugsweise wird die Flüssigkeit während der Nach-Einspritzung mit der kürzest möglichen Dauer eingespritzt. In der in 3 gezeigten dargestellten Ausführungsform korrespondiert die Dauer mit dem Drehwinkel &agr; von etwa 2° der Kurbelwelle 10 des Motors 1. Der diesbezügliche Effekt ist der, dass die Flüssigkeit als Druckschock in den Zylinder 2 für eine sehr kurze Zeitspanne eingespritzt wird. Ein erhöhter Einspritzdruck während der Nach-Einspritzung ermöglicht eine kurze Dauer, da ein vorab bestimmtes Volumen an Brennstoff während der Nach-Einspritzung zugeführt werden muss. Die kurze Dauer und der hohe Druck resultieren in einem großen Impuls und starker Wiedervermischung. Die während der Nach-Einspritzung eingespritzte Flüssigkeit ist vorzugsweise durch Brennstoff sowie Dieselöl oder einer Mischung aus Brennstoff mit beispielsweise Wasser zusammengesetzt, kann aber ebenso durch Luft oder ein anderes Gas gebildet sein. Durch den Ansatz, dass die während der Nach-Einspritzung eingespritzte Flüssigkeit durch Brennstoff gebildet ist, der während der Einspritzung gezündet wird, wird die Temperatur in dem Zylinder angehoben, wodurch die Oxidation der Rußpartikel begünstigt wird. Durch Konfigurieren des Kolbens 3, der Aufnahme 9 sowie des Zylinders in einer geeigneten Weise und durch Ausformen der Löcher 17 in der Einspritzdüse 4, durch die der Brennstoff eingespritzt wird, können die Bereiche, in denen ein fettes Brennstoff/Gas-Gemisch, welches nach der Primär-Einspritzung auftritt, derart geregelt werden, dass diese Regionen durch den während der Nach-Einspritzung eingespritzten Brennstoff beaufschlagt werden. Auch der Brennstoffdruck zum Beginn der Primär-Einspritzung sowie die Startzeit für die Primär-Einspritzung sind Parameter, die das Positionieren dieser Bereiche in dem Zylinder zum Zeitpunkt der Nach-Einspritzung beeinflussen.

Wie aus 2 ersichtlich, wird die Flüssigkeit bei einem Schirmwinkel &bgr; in Bezug auf die Mittellinie 15 des Zylinders 2 derart in den Zylinder 2 eingespritzt, dass die Flüssigkeit während der Nach-Einspritzung davon abgehalten wird, auf die Aufnahme 9 des Kolbens 3 aufzutreffen. Durch Schirmwinkel &bgr; wird der Winkel, der zwischen dem Brennstoff-Strahl 16, der aus der Einspritzdüse 4 gesprüht wird, und der Mittellinie 15 des Zylinders 2 beschrieben. Der Schirmwinkel &bgr; muss ebenfalls so ausgewählt sein, dass der Brennstoff während der Primär-Einspritzung hauptsächlich in die Aufnahme 9 des Kolbens 3 eingespritzt wird, so dass dadurch verhindert wird, dass Brennstoff über die Kante 12 der Aufnahme fließt und den umfänglichen Bereich 13 in dem Zylinder 2 erreicht. In den 1 und 2 sind nur zwei Brennstoff-Strahle 16 gezeigt, jedoch sind in der Praxis eine Vielzahl von Löchern 17 in der Einspritzdüse 4 angeordnet, so dass ein Schirm durch die Brennstoff-Strahlen 16, die durch die Einspritzdüse 4 eingespritzt werden, ausgeformt wird. In einer weiteren Ausführungsform wird der Brennstoff in den Zylinder 2 unter einem Schirmwinkel &bgr; in Bezug auf die Mittellinie 15 des Zylinders 2 derart eingespritzt, dass die Flüssigkeit während der Nach-Einspritzung davon abgehalten wird, auf den Kolben 3 aufzutreffen.

3 zeigt eine alternative Konfiguration der Erfindung, bei der zwei Einspritzdüsen in dem Zylinder 2 angeordnet sind. Dies ermöglicht es dem Brennstoff, während der Primär-Einspritzung und der Nach-Einspritzung unter unterschiedlichen Schirmwinkeln &bgr;1 und &bgr;2 einspritzbar zu sein. Der Schirmwinkel &bgr;1, unter dem der Brennstoff während der Primär-Einspritzung eingespritzt wird, ist vorzugsweise so gewählt, dass er dem vorab beschriebenen Schirmwinkel &bgr; ähnlich ist. Der Schirmwinkel &bgr;2, unter dem die Flüssigkeit während der Nach-Einspritzung eingespritzt wird, ist vorzugsweise so gewählt, dass Regionen mit fettem Brennstoff/Gas-Gemisch erreicht werden und durch den während der Nach-Einspritzung eingespritzten Brennstoff wiedervermischt werden.

In 4 wird der Einspritzdruck p als eine Funktion des Drehwinkels &agr; der Kurbelwelle 10 gezeigt. Wie aus 3 ersichtlich wird während der Primär-Einspritzung Brennstoff in einer Menge eingespritzt, die zu etwa 70–95%, vorzugsweise etwa 80% der vollständigen Menge an in den Zylinder 2 eingespritzter Flüssigkeit korrespondiert. Die Flüssigkeit wird während der Nach-Einspritzung mit einer Dauer eingespritzt, die mit dem Drehwinkel &agr; von nahezu 2° der Kurbelwelle 10 des Motors 1 korrespondiert. Der Einspritzdruck der Flüssigkeit in der Nach-Einspritzung ist höher als der Einspritzdruck des Brennstoffs in der Primär-Einspritzung. Der Einspritzdruck des Brennstoffs in der Primär-Einspritzung ist 200–1500 bar, vorzugsweise 300-1000 bar, und der Einspritzdruck der Flüssigkeit in der Nach-Einspritzung ist 1500–3000 bar, vorzugsweise 1600–2000 bar. Diese Drücke können selbstverständlich während des Verlaufs der Einspritzung variieren.

In 5 wird der Rußpartikel-Gehalt als eine Funktion des Stickoxid-Gehalts in den Abgasen des Verbrennungsmotors 1 gezeigt. Die gestrichelte Kurve bezieht sich auf den Rußpartikel-Gehalt als eine Funktion des Stickoxid-Gehalts in einem bekannten Verbrennungsmotor und die durchgezogene Kurve bezieht sich auf den Rußpartikel-Gehalt als Funktion des Stickoxid-Gehalts eines Verbrennungsmotors, bei dem die Brennstoff-Einspritzung mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung geregelt ist. Es ist aus 5 ersichtlich, dass der Rußpartikel-Gehalt bei einem gegebenen Stickoxid-Gehalt in den Abgasen des Motors 1 wesentlich geringer ist, wenn die Brennstoff-Einspritzung mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung geregelt ist.

Das Verfahren zum Regeln der Brennstoff-Einspritzung in einem Verbrennungsmotor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann während aller Arten des Laufens des Motors 1 angewendet werden. Vorzugsweise wird die Brennstoff-Einspritzung derart geregelt, dass die Nach-Einspritzung nur dann realisiert wird, wenn ein Luftdefizit erwartet wird, so dass wenn der Motor 1 in einer hohen Höhe läuft oder wenn der Motor bei erhöhten Umgebungstemperaturen läuft, wenn die Luft dünn ist, was bedeutet, dass die Luft eine niedrige Dichte aufweist, was bedeutet, dass die Menge an in den Zylinder eingesaugter Luft eine kleinere Anzahl an Sauerstoff-Molekülen pro eingesaugter Volumeneinheit aufweist. Dies tritt ebenso während Übergangsprozessen auf, so wie wenn das Gaspedal gedrückt wird. Wenn der Motor mit einem durch Abgas angetriebenen Turbo versehen ist, wird der Turbo langsam reagieren, wenn das Gaspedal niedergedrückt wird, was zu einer relativ geringen Menge an in den Zylinder 2 eingeführter Luft führt, was in der Bildung von Regionen mit fettem Brennstoff/Gas-Gemisch in dem Zylinder führt, so dass die Rußbildung ansteigt. Die Nach-Einspritzung, die gemäß des vorliegenden Verfahrens realisiert wird, sichert in diesem Fall, dass eine zufriedenstellende Oxidation der Rußpartikel auftritt. Dies wird unten detaillierter beschrieben.

Durch Zurückführen von Abgasen zu dem Zylinder 2, sogenanntem EGR (Exhaust Gas Recirculation), ist es möglich, die Bildung von Stickoxiden (NOx) zu reduzieren. Dies tritt jedoch zusammen mit dem Nachteil von erhöhter Rußpartikel-Erzeugung auf. Durch Kombinieren von Abgas-Rückführung mit der Nach-Einspritzung gemäß dem vorliegenden Verfahren, wird der Rußpartikel-Gehalt in den Abgasen, die von dem Motor abgelassen werden, unterhalb gesetzlich festgelegter Grenzwerte gehalten werden.

Es wurde gezeigt, dass die Nach-Einspritzung und insbesondere die späte Nach-Einspritzung, soweit sie nicht durch andere Mittel ersetzt wird, zu einem verschlechterten Brennstoffverbrauch führt. Um diesen Effekt zu minimieren, sollte die Nach-Einspritzung in optimaler Weise realisiert werden, sollte so wenig Flüssigkeit wie möglich enthalten und sollte die Flüssigkeit veranlassen, so schnell wie möglich zu verbrennen. Es wurde ebenso gezeigt, dass der Effekt der Nach-Einspritzung unter anderem durch die Zylinder- und Kolbengeometrie geregelt wird. Je höher der Einspritzdruck zu Beginn der Nach-Einspritzung ist, desto weniger Brennstoff wird benötigt, um die notwendige Erregung zu produzieren, und je höher der Einspritzdruck zu Beginn der Einspritzung ist, desto schneller verbrennt der eingespritzte Brennstoff.

Ein Weg des Erhöhens der Effizienz eines Motors ohne dabei die Erzeugung von Stickoxiden dramatisch zu erhöhen ist der, die Menge an rezirkulierten Abgasen zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die Brennstoff-Einspritzungszeit übertragen wird, zu erhöhen. Dieses Verfahren führt jedoch zu hohen Rußpartikel-Gehalten in den Abgasen. Um diese hohen Rußpartikel-Gehalte zu verhindern, wird eine Nach-Einspritzung von Brennstoff realisiert, um dadurch reinere Abgase zu produzieren, aber mit nur vernachlässigbarem Anstieg oder keinem Anstieg insgesamt bei dem Brennstoff-Verbrauch. Große Mengen rezirkulierter Abgase führen jedoch zur erhöhter Komplexität in Bezug auf den Motor und das Verbrennungsverfahren. Darüber hinaus kann die Verbesserung der Nach-Einspritzung in Hinsicht auf das Erzielen von geringem Brennstoff-Verbrauch zu einer Reduzierung von dessen Anti-Rußeffekt führen. Es kann daher von Vorteil sein, die Nach-Einspritzung nur bei derartigen Laufpunkten anzuwenden, in denen der Brennstoff-Verbrauch von geringerer Bedeutung ist.

Das Fahren in hohen Höhen bewirkt aufgrund der dünneren Luft Probleme mit Rauch. Da dies jedoch ein selten auftretendes Lauf-Phänomen ist, kann dann die Freiheit genommen werden, hohe Rußpartikel-Gehalte mit einer Nach-Einspritzung, die derart verbessert wurde, dass die Rußpartikel am besten bekämpft werden, zu bekämpfen.

Übergänge, speziell bei schnellem Anstieg der Drehzahl, erzeugen ebenso Probleme hinsichtlich hoher Rußpartikel-Gehalte in den Abgasen. Dies rührt von der Tatsache, dass der Turbo zeitweise nicht in der Lage ist, die Überladung zu einem Hochlast-Niveau anzuheben. Dies kann eine vergleichsweise lange Zeit beanspruchen, bevor ein zufriedenstellendes Überladungs-Niveau für die neue Belastung erreicht wurde. Während dieser Zeit wird der Motor mit geringerem Luftüberschuss als wünschenswert betrieben. Um zu verhindern, dass der Luftüberschuss viel zu gering wird, sind die Belastungs-Ableitungen des Regelsystems des Motors limitiert, so dass der Turbo bewerkstelligt, die gewünschte Umdrehungszahl zu erzielen.

Während eines Anstiegs der Drehzahl stellt die Nach-Einspritzung eine Anzahl von Vorteilen zur Verfügung. Da die Nach-Einspritzung hilft, die Oxidation von Rußpartikeln zu erhöhen, kann ein geringerer Luftüberschuss ausgeglichen werden. Das Regelsystem des Motors wird somit schneller in die Lage versetzt, die Belastung auf ein erforderliches höheres Niveau zu kompensieren. Das Resultat ist ein Motor, der schneller antwortet, wenn das Gaspedal heruntergedrückt wird. Die niedrigere Effizienz mit der Nach-Einspritzung in ihrer Basisversion führt zu einer höheren Energie, die zu dem Turbo zugeführt wird, der somit schneller die erforderliche Umdrehungszahl erreicht, was wiederum zu einer schnelleren Antwort des Motors führt, wenn das Gaspedal niedergedrückt wird.

Oben wurde nur eine Nach-Einspritzung beschrieben. Es ist jedoch möglich, dass eine Vielzahl von Nach-Einspritzungen nacheinander realisiert wird.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Regeln der Brennstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor (1), umfassend einen Kolben (3), der sich innerhalb eines Zylinders (2) zwischen einem oberen und einem unteren Todpunkt hin- und herbewegt, sowie eine Einspritzdüse (4), welche in dem Zylinder (2) angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst,

    bei denen eine erste Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder (2) verwirklicht wird, der Brennstoff gezündet und bewirkt wird, dass der Kolben (3) in der Richtung auf den unteren Todpunkt in dem Zylinder (2) bewegt wird,

    und eine Nach-Einspritzung einer Flüssigkeit in den Zylinder (2) verwirklicht wird, nachdem der Kolben sich in der Richtung auf den unteren Todpunkt bewegt hat,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    der Einspritzdruck des Brennstoffs bei der Nach-Einspritzung höher ist als der Einspritzdruck des Brennstoffs in der Primär-Einspritzung.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzdruck der Flüssigkeit bei dem Nach-Einspritzens 1500–300 bar, vorzugsweise 1600–2000 bar beträgt, und das der Einspritzdruck des Brennstoffs bei der Primäreinspritzung 200–1500 bar, vorzugsweise 300–1000 bar beträgt.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nach-Einspritzung verwirklicht wird, wenn der Kolben (3) in der Richtung auf den unteren Todpunkt in dem Zylinder (2), der mit dem Rotationswinkel &agr; einer Kurbelwelle (10), die zu dem Motor (1) gehört, innerhalb des Bereichs von 20°–60°, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 27°–50° nach dem oberen Todpunkt in Bezug auf den Arbeitshub des Motors bewegt wurde.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nach-Einspritzung verwirklicht wird, wenn der Rotationswinkel &agr; der Nockenwelle (10) etwa 40°, vorzugsweise etwa 37° nach dem oberen Todpunkt in Bezug auf den Arbeitshub des Motors beträgt.
  5. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit bei der Nach-Einspritzung mit einer Dauer eingespritzt wird, die mit dem Rotationswinkel (&agr;) von etwa 2° einer Kurbelwelle (10), die zu dem Motor (1) gehört, korrespondiert.
  6. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Primär-Einspritzung Brennstoff in einer Menge eingespritzt wird, die etwa 70–95% vorzugsweise etwa 80% der vollständigen Menge an Flüssigkeit, die in den Zylinder (2) eingespritzt wird, entspricht.
  7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) an einer Oberseite mit einer Aufnahme (9) zur Ausbildung einer Verbrennungskammer versehen ist, und dass die Flüssigkeit in den Zylinder (2) bei einem Schirmwinkel ((3) in Bezug auf die Mittellinie (15) des Zylinders (2) derart eingespritzt wird, dass die Flüssigkeit während der Nach-Einspritzung davon abgehalten wird, auf die Aufnahme (9) des Kolbens (3) aufzutreffen.
  8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in den Zylinder (2) bei einem Schirmwinkel (&bgr;) in Bezug auf die Mittellinie (15) des Zylinders (2) derart eingespritzt wird, dass die Flüssigkeit währen der Nach-Einspritzung davon abgehalten wird, auf den Kolben (3) aufzutreffen.
  9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Nach-Einspritzung die Flüssigkeit in den Zylinder (2) bei einem Schirmwinkel (&bgr;2) in Bezug auf die Mittelinie (15) des Zylinders (2) eingespritzt wird, und das während der Primär-Einspritzung der Brennstoff in den Zylinder (2) bei einem Schirmwinkel (&bgr;1) in Bezug auf die Mittellinie (15) des Zylinders (2) eingespritzt wird.
  10. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit, die während der Nach-Einspritzung zugeführt wird, Brennstoff, so wie Dieselöl ist.
  11. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nach-Einspritzung nur dann verwirklicht wird, wenn der Motor (1) in hoher Höhe läuft, wenn die Luft dünn ist, was bedeutet, dass die Menge an in den Motor (1) gesaugter Luft eine relativ kleine Anzahl von Sauerstoffmolekülen pro eingesaugter Volumeneinheit enthält.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nach-Einspritzung nur dann verwirklicht wird, wenn der Motor (1) während Einschaltprozessen läuft.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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