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DE10040117A1 - Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors mit einem Zylinder (1), einem im Zylinder (1) zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) oszillierend längsverschieblich geführten Kolben (3) und einem Injektor (8) mit einem Injektorventil (18) zur Einspritzung (E) einer Kraftstoffmenge (m) in den Zylinder (1). In einem durch die Bewegung des Kolbens (3) vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) begrenzten Kompressionstakt (K) wird Verbrennungsluft (12) verdichtet. In einem durch die Bewegung des Kolbens (3) vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) begrenzten Arbeitstakt (A) erfolgt die Einspritzung (E) der Kraftstoffmenge (m). Die Einspritzung (E) beginnt in allen Betriebszuständen nach dem oberen Totpunkt (OT), wobei das Injektorventil (18) sprunghaft geöffnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Die­ selmotors.
Immer schärfer werdende Abgasvorschriften stellen erhöhte An­ forderungen an den Betrieb von Dieselmotoren, wobei entspre­ chende Maßnahmen zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes, insbesondere von Ruß, CO und NOx, nicht zu einer Verringerung der entsprechenden Motorleistung und zu einer Erhöhung des spezifischen Kraftstoffverbrauches führen sollen.
Es sind Verfahren zum Betrieb von Dieselmotoren bekannt, bei denen die Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder in eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung aufgeteilt ist. Durch die Voreinspritzung einer Teilmenge von Kraftstoff in einem Zeitraum vor dem Zünd-OT kann eine verbesserte Homo­ genisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielt werden. Bei der anschließenden Hautpeinspritzung erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Bereich des oberen Totpunktes, wobei wenigstens eine Teilmenge davon durch die verbesserte Homogenisierung zu einer Verringerung des Schadstoffausstoßes beiträgt. Die auf die Voreinspitzung folgende Haupteinsprit­ zung kann sich bis in den Arbeitstakt hineinziehen, wobei der während des Arbeitstaktes absinkende Druck im Zylinder eine Verringerung des Wirkungsgrades und damit einhergehend eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauches zur Folge haben kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors mit verringertem Schadstoffausstoß bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu wird vorgeschlagen, die Einspritzung in allen Betriebs­ zuständen so spät durchzuführen, daß sie nach dem Zünd-OT be­ ginnt, wobei das Injektorventil besonders schnell, also sprunghaft geöffnet wird. Durch die besonders schnelle Quer­ schnittsfreigabe und dem damit einhergehenden "scharfen" Ein­ spritzverlauf wird eine besonders gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und damit einhergehend eine Redu­ zierung der Rußbildung erzielt. Unterstützt wird diese Wir­ kung durch einen entsprechenden Schließgradienten des Injek­ torventils mit einem hohen Betrag, also durch eine sprung­ hafte Schließung desselben. Vorteilhaft kann dieser "scharfe" Einspritzverlauf durch eine vergrößerte Öffnung des Injektor­ ventils und insbesondere durch einen erhöhten Einspritzdruck weiter ausgeprägt werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielbar ist. In Verbindung mit dem späten Beginn der Einspritzung im Arbeitstakt nach dem oberen Totpunkt wird die Kraftstoffver­ teilung im Brennraum durch einen verlängerten Zündverzug be­ günstigt, der aufgrund des abnehmenden Zylinderdruckes in der Expansionsphase gefördert wird. Das homogenisierte Gemisch verbrennt mit extrem hoher Geschwindigkeit, wobei kaum Ruß gebildet wird. Des weiteren ist dadurch eine Verringerung der Stickoxidemission und der Geräuschentwicklung erzielbar. Vor­ teilhaft wird die Einspritzung als Haupteinspritzung durchge­ führt, der im Kompressionstakt eine Voreinspritzung voraus­ geht. Das Öffnen des Injektorventils und zweckmäßig auch das Schließen desselben erfolgt bei der Haupteinspritzung sprung­ haft mit einem höherem Gradienten als bei der Voreinsprit­ zung. Durch das sprunghafte Öffnen und Schließen des Injek­ torventils bei der Haupteinspritzung werden die oben genann­ ten Vorteile erzielt, während zusätzlich durch die Vorein­ spritzung die Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbessert wird.
Die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann durch eine Aufteilung der Hautpeinspritzung in mehrere Teilein­ spritzungen unterstützt werden. In Verbindung mit einer Ab­ gasrückführung kann der ohnehin schon verringerte Stickoxid-Ausstoß weiter verringert werden. Die geschilderte Homogeni­ sierung der Zylinderladung führt auch bei zunehmender Abgas­ rückführung nicht zu einem Anstieg der Rußbildung.
Es kann zweckmäßig sein, zusätzlich eine Nacheinspritzung im Anschluß an die Haupteinspritzung durchzuführen, wodurch die Brennraumtemperatur bzw. der HC-Gehalt im Abgas erhöht wird. In Verbindung mit einer Abgasrückführung kann dadurch die innermotorische Ruß-Nachoxidation verbessert werden.
Vorteilhaft wird vor der Voreinspritzung eine Homogenisie­ rungseinspritzung durchgeführt, die zweckmäßig bereits wäh­ rend des Ansaugtaktes beginnt. Die entsprechende Kraftstoff­ menge wird bei einem niedrigen Zylinderdruck eingespritzt, wodurch eine gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemi­ sches gefördert wird. In Verbindung mit der Voreinspritzung ergibt sich daraus des weiteren eine Verbesserung der Zündbe­ dingungen bei der Hauptverbrennung.
Insgesamt ist durch das erfindungsgemäße Verfahren in Folge der verbesserten Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemi­ sches auch bei einer spät erfolgenden Haupteinspritzung eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes ohne eine Wirkungsgrad­ einbuße erzielbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Dieselmotor zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein schematisches Zeitdiagramm mit der Abfolge einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung,
Fig. 3 ein schematisches Zeitdiagramm mit einer zusätzli­ chen Homogenisierungs- und Nacheinspritzung sowie einer Aufteilung der Haupteinspritzung in Teilein­ spritzungen.
In der schematischen Darstellung nach Fig. 1 ist ein Diesel­ motor mit einem Zylinder 1 und einem Kurbelgehäuse 2 gezeigt. Im Zylinder 1 ist ein längsverschieblicher Kolben 3 gehalten, der über ein Pleuel 6 gelenkig mit einer im Kurbelgehäuse 2 gelagerten Kurbelwelle 4 verbunden ist. Die Kurbelwelle 4 ist um eine Kurbelachse 5 drehbar. Die Längsbeweglichkeit des Kolbens 3 ist durch einen oberen Totpunkt OT und einen unte­ ren Totpunkt UT begrenzt. In einer Aufwärtsbewegung vom unte­ ren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT führt der Kolben 3 ei­ nen durch den Pfeil K angedeuteten Kompressionstakt und in umgekehrter Richtung einen durch den Pfeil A angedeuteten Ar­ beitstakt aus. Während eines vor dem Kompressionstakt liegen­ den Saugtaktes S (Fig. 3) wird Verbrennungsluft 12 durch eine Frischluftleitung 7 in den Zylinder 1 geleitet und im an­ schließenden Kompressionstakt K komprimiert. Durch ein Injek­ torventil 18 eines Injektors 8 wird Kraftstoff 15 in den Zy­ linder 1 eingespritzt. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas 13 wird durch eine Abgasleitung 10 und einen in der Ab­ gasleitung 10 angeordneten Katalysator 11 abgeführt. Es ist eine Abgasrückführung 17 zur Rückführung einer Teilmenge des Abgases 13 zur Verbrennungsluft 12 vorgesehen, wobei die Ab­ gasleitung 10 und die Frischluftleitung 7 über eine Abgas­ rückführungsleitung 16 miteinander verbunden sind. In der Ab­ gasrückführungsleitung 16 ist ein Abgasrückführungs-Ventil 14 zur Einstellung der rückzuführenden Menge des Abgases 13 an­ geordnet.
Fig. 2 zeigt schematisch den Einspritzverlauf über der Zeit t. Während des durch den unteren Totpunkt und den oberen Totpunkt begrenzten Kompressionstaktes K erfolgt eine Vorein­ spritzung V, bei der das Injektorventil 18 des Injektors 8 (Fig. 1) um den Injektorventilhub aV geöffnet wird. Die Öff­ nung des Injektorventils 18 erfolgt zu Beginn der Vorein­ spritzung V über einen Zeitraum tO1. Aus dem Quotienten des Injektorventilhubes aV und der Öffnungszeit tO1 ergibt sich ein erster Öffnungsgradient daO1. Vergleichbar dazu wird das Injektorventil 18 zum Ende der Voreinspritzung V über einen Zeitraum tS1 geschlossen, wobei sich ein entsprechender er­ ster Schließgradient dass aus dem Quotienten des Injektor­ ventilhubes aV und dem Schließzeitraum tS1 ergibt. Aus dem Verlauf des Injektorventilhubes a ergibt sich ein vergleich­ barer Verlauf des Massenflusses von Kraftstoff 15 sowie des entsprechenden Kraftstoffdruckes p. Die während der Vor­ einspritzung V eingespritzte Kraftstoffmenge mV entspricht dabei dem Flächeninhalt der gezeigten Kurve.
Im Anschluß an den oberen Totpunkt OT folgt ein Arbeits­ takt A. Nach dem oberen Totpunkt OT beginnt eine Einspritzung E einer Kraftstoffmenge m, die auch ohne die Voreinspritzung V durchgeführt werden kann und die im gezeigten Ausführungs­ beispiel eine auf die Voreinspritzung V folgende Hauptein­ spritzung H ist. Der Injektorventilhub aH während der Haupt­ einspritzung H und damit einhergehend der Kraftstoffdruck p sowie der Massenfluß des Kraftstoffes 15 ist dabei von hö­ herem Betrage als während der Voreinspritzung V. Die Haupt­ einspritzung H erfolgt mit einem höheren und somit wirksamen Kraftstoffdruck p an der Injektorventilaustrittsöffnung als die Voreinspritzung V. Das Injektorventil 18 wird während ei­ nes Öffnungszeitraumes tO2 sprunghaft geöffnet, wobei sich dabei ein zweiter Öffnungsgradient daO2 aus dem Quotienten des Injektorventilhubes aH und dem Öffnungszeitraum tO2 er­ gibt. Der zweite Öffnungsgradient daO2 der Hautpeinspritzung H hat einen höheren Betrag als der erste Öffnungsgradient daO1 der Voreinspritzung V, wobei sich ein sprunghaftes Schließen ergibt. Gegen Ende der Haupteinspritzung H wird das Injektorventil 18 über einen Schließzeitraum tS2 geschlossen, wobei sich ein zweiter Schließgradient daS2 aus dem Quotien­ ten des Injektorventilhubes aH und dem zweiten Schließzeit­ raum tS2 ergibt. Der zweite Schließgradient daS2 hat einen größeren Betrag als der erste Schließgradient daS1 der Vor­ einspritzung V. Die während der Haupteinspritzung H einge­ spritzte Kraftstoffmenge mH entspricht der Fläche unter der gezeigten Kurve im Bereich der Hautpeinspritzung H.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Variante des Verfahrens nach Fig. 2, bei dem vor der Voreinspritzung V eine Homogenisierungseinspritzung G erfolgt. Im gezeigten Beispiel können die Homogenisierungseinspritzung G und die Voreinspritzung V zeitlich innerhalb der durch Balken gekenn­ zeichneten Bereiche liegen. Sie können in unmittelbarer Folge nacheinander erfolgen. Die Homogenisierungseinspritzung G er­ folgt im wesentlichen während des dem Kompressionstakt K vor­ ausgehenden Saugtaktes S. Nachfolgend der Voreinspritzung V erfolgt eine Haupteinspritzung H, die in einzelne Teilein­ spritzungen Hn aufgeteilt ist. Anschließend an die Hauptein­ spritzung H wird eine Nacheinspritzung N während des Ar­ beitstakts A durchgeführt. Die einzelnen Einspritzungen kön­ nen zeitlich zueinander beabstandet oder direkt aneinander anschließend durchgeführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors mit einem Zy­ linder (1), einem im Zylinder (1) zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) oszillie­ rend längsverschieblich geführten Kolben (3) und einem Injektor (8) mit einem Injektorventil (18) zur Einsprit­ zung (E) einer Kraftstoffmenge (m) in den Zylinder (1), welches folgende Schritte umfaßt:
  • a) In einem durch die Bewegung des Kolbens (3) vom unte­ ren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) begrenzten Kompressionstakt (K) wird Verbrennungsluft (12) ver­ dichtet.
  • b) In einem durch die Bewegung des Kolbens (3) vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) begrenzten Ar­ beitstakt (A) erfolgt die Einspritzung (E) der Kraft­ stoffmenge (m), wobei die Einspritzung (E) in allen Betriebszuständen nach dem oberen Totpunkt (OT) be­ ginnt und dabei das Injektorventil (18) sprunghaft ge­ öffnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ende der Einsprit­ zung (E) das Injektorventil (18) sprunghaft geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schritte vorgesehen sind:
  • a) Während des Kompressionstaktes (K) wird in einer Vor­ einspritzung (V) eine Voreinspritzungsmenge (mV) von Kraftstoff (15) eingespritzt, wobei das Injektorven­ til (18) des Injektors (8) zu Beginn der Voreinsprit­ zung (V) mit einem ersten Öffnungsgradienten (daO1) geöffnet und zum Ende der Voreinspritzung (V) mit ei­ nem ersten Schließgradienten (daS1) geschlossen wird.
  • b) In einer die Einspritzung (E) bildenden Haupteinsprit­ zung (H) wird eine Haupteinspritzmenge (mH) von Kraft­ stoff (15) eingespritzt, wobei das Injektorventil (18) des Injektors (8) zu Beginn der Haupteinspritzung (H) mit einem zweiten Öffnungsgradienten (daO2) sprunghaft geöffnet und zum Ende der Haupteinspritzung (H) mit einem zweiten Schließgradienten (daS2) geschlossen wird und wobei der zweite Öffnungsgradient (daO2) grö­ ßer als der erste Öffnungsgradient (daO1) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schließgra­ dient (daS2) bei der Haupteinspritzung (H) einen größe­ ren Betrag aufweist als der erste Schließgradient (daS1) der Voreinspritzung (V).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorventil (18) bei der Haupteinspritzung (H) mit einem größeren Ventilhub (a) geöffnet wird als bei der Voreinspritzung (V).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupteinspritzung (H) mit einem höheren und wirksamen Druck (p) an der Injek­ torventilöffnung erfolgt als die Voreinspritzung (V).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung (E) und insbesondere die Haupteinspritzung (H) in mehrere Teil­ einspritzungen (Hn) aufgeteilt ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des entstehenden Abgases (13) in einer Abgasrückführung (17) der Verbren­ nungsluft (12) zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Einspritzung (E) bzw. Haupteinspritzung (H) eine Nacheinspritzung (N) er­ folgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Einspritzung (E) ei­ ne Homogenisierungseinspritzung (G) erfolgt.
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