DE3723599A1 - Verfahren zum betreiben eines mehrzylindrigen viertakt-dieselmotors einer verbundbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Be­ treiben eines durch einen Abgasturbolader aufgeladenen mehrzylindrigen Viertakt-Dieselmotors für eine Verbund­ brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gemäß dem Hauptpatent . ... ... (Patentanmeldung P 36 43 830.8-13).

Durch die Maßnahmen gemäß dem vorgenannten Hauptpatent, wonach in vorteilhafter Weise eine Rückgewinnung der in den Abgasen der Nutzleistungsturbine enthaltenen Wärme erfolgt, die der in den Motorzylindern verdichteten Lade­ luft nach dem Kompressionstakt und vor dem Expansions­ takt zugeführt wird, wird der motorische Wirkungsgrad durch Verminderung der zum Erreichen der maximal zulässigen Brenngastemperaturen und -drücke erforderlichen Brenn­ stoffmenge erhöht. Ferner ist die im Rahmen der Er­ findung praktizierte Verteilung der im Dieselmotor er­ zeugten Verbrennungsgase auf die Nutzleistungsturbine und die Turbine des Abgasturboladers qualitativ und quantitativ auf die besonderen Aufgaben dieser beiden Kraftmaschinen ausgerichtet, insofern als die Nutz­ leistungsturbine für ihren wesentlich höheren Leistungs­ bedarf als Primärverbraucher mit einer größeren Treib­ gasmenge höheren Drucks und höherer Temperatur in bezug auf den Ablauf des Expansionstaktes zuerst versorgt wird, während die Turbine des Abgasturboladers mit dem Abgas aus der Nutzturbine (nach Durchströmen des Wärmetauschers) sowie dazu parallel, d. h. im Nebenstrom, mit einer kleineren Treibgasmenge beaufschlagt wird, wie sie am Ende des Ausschiebetakts ohnehin anfallen, sowie mit der im Kolbentrieb erforderlichen Spülluftmenge beschickt wird. Die Spülluft aus dem Kolbentrieb, vermischt mit der Leckage aus dem Zylinder wird ebenfalls dem Abgasturbolader zugeführt.

Darüber hinaus können aufgrund der Vorwärmung der ver­ dichteten Luft im Wärmetauscher bereits bei mäßigem Ver­ dichtungsverhältnis bzw. Verdichtungsenddruck die für den Dieselprozeß zur Selbstzündung notwendigen Be­ dingungen, insbesondere hohe Temperatur sehr gut er­ reicht werden.

Die Gemischaufbereitung bei Brennkraftkolbenmaschinen ist nach wie vor mit Problemen verbunden. Besondere Schwierigkeiten treten bei luftverdichteten Brennkraft­ kolbenmaschinen auf, da eine Reihe von Faktoren und Parametern, welche die Qualität der Gemischaufbe­ reitung im Motorzylinder bestimmen, gegeneinander ge­ richtete Auswirkungen mit sich bringen. Bei der direkten Einspritzung wird der Kraftstoff in die hochverdichtete heiße Luft in der Regel noch vor dem oberen Totpunkt mit hohem Druck und einem kompakten Strahl oder mehreren Strahlen in den Brennraum eingebracht mit dem Ziel, den Kraftstoff in der bewegten Luft tröpfchenförmig zu ver­ teilen. Der eingespritzte Kraftstoff benötigt zu seiner Aufbereitung bis zur Verdampfung und Zündung eine be­ stimmte Zeit, die mit Zündverzug bezeichnet wird, an dessen Ende die Verbrennung einsetzt. Da der Zündver­ zug in erster Linie von der Verdichtungstemperatur ab­ hängig ist, wird einerseits, um einen kurzen Zündverzug zu erhalten, eine möglichst hohe Temperatur angestrebt. Andererseits besteht bei hohen Verdichtungstemperaturen, auf die sich der eingespritzte Kraftstoff erhitzt, die Gefahr, daß dessen chemische Reaktion bereits einsetzt, bevor die physikalische Vorbereitung, also die voll­ ständige Vermischung mit der Luft und die Verdampfung bereits beendet ist. Dies führt in nachteiliger Weise, wie beim Krackvorgang, zu einer Veränderung des Kraft­ stoffes bzw. zum Molekularzerfall mit seinen schädlichen Folgen, wie Rußbildung und unvollkommener Ver­ brennung, wodurch sich der Wirkungsgrad verschlechtert.

Um beim Einsetzen der Verbrennung hohe Druckspitzen zu vermeiden, ist es bereits bekannt, Zapfendüsen so auszubil­ den, daß durch eine anfänglich geringere Spaltbreite die Einspritzmenge, über der Einspritzzeit betrachtet, zu­ erst gedrosselt und dann mit gesteigerter Menge einge­ bracht wird. Ferner wurden bereits Einspritzdüsen ent­ wickelt, die den insgesamt einzubringenden Kraftstoff in zwei Einspritzmengen aufteilen, wobei etwa 15% der Ge­ samtmenge um die Zündverzugszeit vor der Haupt­ menge eingespritzt wird.

Aber auch die zuletzt genannten Einspritzverfahren er­ füllen noch nicht die hohen Ansprüche, die heute be­ züglich eines gesteigerten Wirkungsgrades und mit Rück­ sicht auf geringste Umweltbelastung im Hinblick auf eine optimale und saubere Verbrennung gestellt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen Dieselmotor mit einem Aufbau gemäß den Merkmalen des Hauptpatentes . ... ... (Patentanmeldung P 36 43 830.8-13) ein abgestuftes Einspritzverfahren vorzuschlagen, das unter Vermeidung von hohen Druck- und Temperaturspitzen eine schnelle und vollständige Verbrennung sowie eine maximale Leistungsausbeute auch für schnell laufende Dieselmotoren mit sich bringt und das auch für die Ver­ wendung von zukunftsorientierten Kraftstoffen mit um­ weltverträglichen Abgasprodukten geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der gesamte Kraftstoff während des Expansionstaktes in mehreren Einspritzmengen insbesondere in zwei Ein­ spritzmengen, in die zusätzlich erhitzte Ladeluft einge­ bracht wird.

Um den Verbrennungsablauf möglichst in Richtung Gleich­ druckverbrennung hin zu optimieren, werden im Rahmen der Erfindung die erste Einspritzmenge und die zweite Ein­ spritzmenge mengenmäßig sowie der zeitliche Abstand zwischen den beiden Einspritzungen so aufeinander abge­ stimmt, daß die Spitzendrücke und die Spitzentemperaturen während der Verbrennungsphasen beider Einspritzmengen praktisch gleich sind.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, bei der ersten Einspritzung eine größere Kraftstoffmenge einzubringen als bei der zweiten Einspritzung. Dies ist möglich durch den größeren Wärmeinhalt der zusätzlich aufgeheizten Ladeluft, da trotz der relativ größeren Einspritzmenge eine rasche Aufbereitung bzw. Verdampfung des Kraftstoffes erreicht wird, und dies in einer Phase, bei der die Volumenzunahme des Zylinders durch den zurück­ gehenden Kolben pro Kurbelwinkel maximal ist, was den Arbeitsprozeß in Richtung Gleichdruckverbrennung tendie­ ren läßt.

Außerdem ist es vorteilhaft, die Einspritzung der zwei­ ten Kraftstoffmenge erst gegen Ende der Verbrennung oder erst nach vollständiger Verbrennung der ersten Kraftstoffmenge vorzunehmen.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung liegt ferner darin, als Kraftstoff Wasserstoff zu verwenden.

Bei einem Dieselmotorverfahren nach dem Hauptpatent . ... ... (Patentanmeldung P 36 43 830.8-13) wirkt sich die durch Wärmeaustausch bzw. zusätzliche Aufheizung erreichte hohe Temperatur der verdichteten Ladeluft inso­ fern günstig aus, als sie mit ihrem großen Wärmeinhalt imstande ist, eine relativ große Menge Kraftstoff auch bei steigendem Brennraumvolumen während bzw. zu Beginn des Expansionstaktes schnell fortschreitend für die Verbrennung aufzubereiten und dieser zuzuführen, wobei noch ein gutes Verhältnis zwischen dem von der Temperatur abhängigen Zündverzug und der Einspritzzeit für die erste Einspritzmenge infolge Teilung der Gesamtkraftstoffmenge erreicht werden kann. Bei der zweiten Einspritzung der restlichen Kraftstoffmenge im Zuge der weiteren Expansion wird die durch die Verbrennung dieses Kraft­ stoffanteiles erfolgende Druck- und Temperaturerhöhung kompensiert durch die stetige Vergrößerung des Zylinder­ volumens, so daß insgesamt bei annehmbaren maximalen Temperaturen und Drücken ein hohes Niveau derselben während der Expansionsphase erreicht wird, was für die Effektivität des gesamten Kreisprozesses besonders wichtig ist. Dabei erfolgt die Bemessung der Kraft­ stoffzufuhr natürlich so, daß die zulässige Abgas­ temperatur im Bereich zwischen 1500 bis 1600°K bei günstigen Luftüberschußzahlen erzielt wird. Außerdem wird mit Rücksicht auf die thermische Belastung und Stickoxidbildung die maximale Gastemperatur in Grenzen gehalten.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren behält das Gas im Motorzylinder auch während der Expansion bzw. des Aus­ schiebens der Treibgase einen möglichst hohen Druck bei, da im Motorzylinder nur soviel Expansionsarbeit an die Kurbelwelle abgegeben werden soll, wie die Maschine zu ihrem bloßen mechanischen Antrieb bzw. zur Erzeugung des dann in der Nutzleistungsturbine zu verarbeitenden Treibgases erfordert, während die weitere Expansionsarbeit nach dem Ausschieben der Treib­ gase in der Nutzleistungsturbine zur Erzeugung mechani­ scher Nutzleistung dient.

Daraus folgt, daß die Verbrennung vor bzw. bei Erreichen des unteren Totpunktes keineswegs abgeschlossen zu sein braucht. Gerade unter diesem Aspekt wird die relativ spät erfolgende zweite Phase der Einspritzung und Ver­ brennung als Beitrag zur Erlangung eines hohen Niveaus von Druck und Temperatur bzw. hohen Arbeitsvermögens des ausgeschobenen bzw. zur Nutzleistungsturbine strömen­ den Treibgases betrachtet. Aus diesem Grund ist die gegen­ über konventionellen Dieselmotoren erst nach dem oberen Totpunkt erfolgende erste Phase der Einspritzung und Ver­ brennung thermodynamisch nicht schädlich.

Ein besonderer Vorteil bei der Anwendung des erfindungs­ gemäßen Einspritzverfahrens bei einem Dieselmotor mit zusätzlicher Aufheizung der Ladeluft in einem besonderen Wärmetauscherkreis besteht darin, daß die hohen Tempe­ raturen der Ladeluft der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff entgegenkommen, insofern als es förderlich ist, dem Wasserstoff wegen seines hohen Zündpunktes (580-590°C) einen hohen Temperaturüberschuß zur Einleitung der Ver­ brennung zur Verfügung zu stellen. Bisher waren bei der Verwendung von Dieselkraftstoff hohe Anfangstemperaturen unter anderem auch aus dem Grunde unerwünscht, weil da­ bei die Gefahr eines frühen Krackens des Dieselmoleküls zu befürchten ist, was dazu führt, daß die durch den primär einsetzenden chemischen Reaktionsvorgang frei­ werdenden agressiven und reaktionsfähigeren Wasserstoff­ atome den Sauerstoff der Luft an sich zu reißen, wodurch es zwangsläufig zu immer kohlenstoffreicheren Molekülen kommt, die reaktionsträger sind und Rußbildung verur­ sachen können.

Bei der Verwendung bzw. Verbrennung von Wasserstoff ist es günstig, besonders bei Fahrzeugen, um Brennstoff­ volumen zu sparen, einen möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad zu erzielen, da das für den Wasserstoff erforderliche Tankvolumen und -gewicht für eine ge­ gebene Leistung und Betriebsdauer ungleich höher ist als das entsprechende Volumen für das Dieselöl.

Da bei der Verbrennung von Wasserstoff hohe Spitzen­ temperaturen zu erwarten sind, kommt die erfindungsge­ mäße Stufenverbrennung während des Kompressionstaktes einer Spitzentemperaturabsenkung besonders entgegen. Außerdem kann bei der Verbrennung von Wasserstoff aufgrund der ausgezeichneten Diffusion des Wasserstoffs in das um­ gebende Medium hinein besonders gute Gemischbildung er­ wartet werden, während andererseits die bei Dieselöl bei hohen Lufttemperaturen unter Umständen eintretende chemische Veränderung vor der eigentlichen Verbrennung (Kracking) nicht erfolgen kann. Ferner ist Wasser­ stoff wesentlich zündwilliger als Dieselöl, so daß bei Verwendung von Wasserstoff die Verbrennung in der zweiten Phase trotz des im Motorzylinder nur noch vor­ handenen geringeren Sauerstoffgehalts weniger kritisch ist als bei der Verbrennung von Dieselöl.

In der Zeichnung ist ein Anwendungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 ein lineares Kraftstoffflächendiagramm zur Charakterisierung des Kraftstoffflusses für die beiden Einspritzmengen,

Fig. 2 ein Diagramm zur Charakterisierung der beiden eingespritzen Kraftstoffmengen,

Fig. 3 ein Diagramm über die auftretenden Verbrennungs­ geschwindigkeiten der beiden Einspritzmengen,

Fig. 4 ein Diagramm über die auftretenden Gastempera­ turen und die

Fig. 5 ein Kurbeldiagramm im Hinblick auf den Expansions­ takt.

Im Diagramm gemäß Fig. 1 sind die beiden zeitlich von­ einander getrennten Einspritzungen als rechteckige Säulen dargestellt, und zwar eine größere erste Einspritz­ menge E 1 und eine kleinere zweite Einspritzmenge E 2. Auf der Ordinate ist die nach der Zeit differenzierte Kraftstoffmenge aufgetragen und die Abszisse charakteri­ siert den Kurbelweg, der im oberen Totpunkt OT seinen Ur­ sprung hat und zum unteren Totpunkt UT führt.

Im Diagramm nach Fig. 2 ist das Einspritzgesetz in bezug auf die beiden Einspritzmengen E 1 und E 2 dargestellt, wo­ bei die Einspritzung für die Einspritzmenge E 1 im Steuer­ punkt 5 beginnt und im Steuerpunkt 5′ endet, während die Einspritzung für die zweite Einspritzmenge E 2 im Steuerpunkt 5 a beginnt und im Steuerpunkt 5 a′ endet.

In Fig. 3 sind die Verbrennungsdiagramme VE 1 und VE 2 für die beiden Einspritzmengen E 1 und E 2 zwischen den Steuerpunkten 6 und 6 a einerseits und den Steuer­ punkten 6 a und 7 andererseits eingetragen, wobei der zeitliche Abstand zwischen den beiden Steuerpunkten 5′ und 6 die Zündverzugszeit für die erste Einspritz­ menge E 1 markiert. Die Zündverzugszeit für die zweite Einspritzmenge E 2 liegt zwischen den Steuerpunkten 5 a′ und 6 a.

Das Diagramm nach Fig. 4 zeigt die Gastemperaturen T während des Expansionstaktes (Ende der Expansion im Punkt 8) bzw. bis zum unteren Totpunkt UT.

Während des Expansionstaktes erfolgt die abgestufte Kraftstoffeinspritzung in den Motorzylinder, und zwar, wie bereits beschrieben, mittels zweier Einspritzmengen E 1 und E 2. In dem in Fig. 5 dargestellten Kurbeldiagramm bezüglich des Expansionstaktes sind die in den Diagrammen gemäß den Fig. 2 bis 4 vermerkten Steuerpunkte analog ein­ getragen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben eines durch einen Abgas­ turbolader aufgeladenen mehrzylindrigen Viertakt- Dieselmotors für eine Verbundbrennkraftmaschine, bestehend aus einer Nutzleistungsturbine und dem vorgenannten Dieselmotor, der als Gaserzeuger für die Nutzleistungsturbine und die Turbine des Abgasturbo­ laders dient, wobei am Ende des Kompressionstaktes bis in den Expansionstakt hinein der in den Zylindern des Dieselmotors verdichteten Ladeluft außerhalb der Zylinder in einem geschlossenen Wärmetauscherkreis zusätzlich Wärme aus den Abgasen der Nutzleistungs­ turbine zugeführt wird, worauf zu Beginn des Expansions­ taktes die hocherhitzte Ladeluft wieder in die Motor­ zylinder zurückströmt, in denen durch Brennstoffein­ spritzung Verbrennungsgase erzeugt werden, nach Patent . ... ... (Patentanmeldung P 36 43 830.8-13), dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Kraftstoff während des Expansionstaktes in mehreren Einspritzmengen, insbesondere zwei Einspritzmengen (E 1 und E 2), in die zusätzlich erhitzte Ladeluft eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einspritzmenge (E 1) und die zweite Ein­ spritzmenge (E 2) mengenmäßig sowie der zeitliche Abstand zwischen den beiden Einspritzungen so auf­ einander abgestimmt sind, daß die Spitzendrücke und die Spitzentemperaturen während der Verbrennungs­ phasen beider Einspritzmengen (E 1 und E 2) praktisch gleich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Einspritzmenge (E 1) größer ist als die zweite Einspritzmenge (E 2).

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einbringung der zweiten Einspritzmenge (E 2) erst gegen Ende der Verbrennung oder erst nach vollständiger Verbrennung der ersten Einspritzmenge (E 1) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einbringung der zweiten Einspritz­ menge (E 2) relativ spät während des Expansions­ taktes erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kraftstoff Wasserstoff dient.