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Die Erfindung betrifft die Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungsmotor, vorzugsweise von Dieselkraftstoff oder ähnlichem Kraftstoff, wobei die Verbrennung homogener und der Schadstoffausstoß verringert wird.
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Stand der Technik
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In der Einspritztechnologie von Kraftstoffen fanden in den letzten Jahrzehnten die Innovationen hauptsächlich in Verbindung mit der Erhöhung des Einspritzdruckes sowie der Gestaltung der Düse statt. Ziel dieser Maßnahmen ist es, die aus der Düse austretenden Kraftstofftröpfchen zu zerkleinern, kleinere Tröpfchen zu generieren indem energetisch eingewirkt wird; durch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Teilchen und Gas kommt es durch die Reibungsenergie zum Zerfall der Teilchen. Von konstruktiver Seite sind dabei erhebliche Leistungen erbracht worden. Eine weitere Erhöhung des Einspritzdruckes, um die Relativgeschwindigkeit des eintretenden Sprühstrahls zum Gas im Brennraum zu steigern mit dem Vorteil, dass der Kraftstoff feiner verteilt wird und damit vorteilhafte Eigenschaften bei der Verbrennung wie Verringerung der Rußbildung erreicht wird, kann so nicht fortgesetzt werden /Hrsg. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, Seiten 572 - 578, 591 - 595, 1002 -1003/.
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Bei Dieselmotoren in der Serie ist derzeitig Standard 2000 bis 2500 bar; bei Rennmotoren bis etwa 3000 bar.
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Der Kraftstoff Diesel und ähnliche Kraftstoffe sind, wie alle Fluide amorph und die Viskosität ist druck- und temperaturabhängig. Beispiel: naphthenisches Öl hat bei 50 °C und bei einer Druckerhöhung von Normaldruck auf 2500 bar eine Viskositätsänderung um den Faktor ca. 300. Die Viskositätsänderung mit dem Druck geht exponentiell; mit zunehmendem hydrostatischem Druck wird es immer schwerer, den Kraftstoff, im Beispiel Diesel zu fördern. Mit zunehmender Temperatur sinkt die Viskosität, das freie Volumen nimmt zu. Zum Beispiel verringert sich die Viskosität im Bereich von 20 °C auf 80 °C für verschiedene Mobil Oil um den Faktor 10 bis ca. 13 /K. Witt, „Die Berechnung physikalischer und thermodynamischer Kennwerte von Druckflüssigkeiten, sowie die Bestimmung des Gesamtwirkungsgrades an Pumpen unter Berücksichtigung der Thermodynamik für die Druckflüssigkeit“, Dissertation, Technische Hochschule Eindhoven 1974, Seiten 20 und 40/. Eine Kompensation des Druckeinflusses beim Einspritzen durch eine Temperaturerhöhung ist unter diesen Bedingungen nicht realisierbar.
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Großes Potential bei der weiteren Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der Umweltverträglichkeit besteht auch in der Gestaltung der Einspritzung /Hrsg. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, Seiten 573, 574/, insbesondere durch Voreinspritzungen, den Haupteinspritzungen und der Nacheinspritzung. Dadurch lässt sich die Rußemission, das Verbrennungsgeräusch und weitere Parameter beeinflussen.
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Das Ziel, den Kraftstoff möglichst fein zu zerteilen und zu verteilen, im Sinne einer homogenen räumlichen Verteilung, wird in unterschiedlicher Weise realisiert.
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In
EP 3 058 208 B1 wird ein Flüssigkeitsinjektor zur Erzeugung von atomisierter Flüssigkeit beschrieben, wobei die Flüssigkeit sowie Gas durch Kanäle zu Ausflussöffnungen durch Druckeinwirkung geführt werden und die austretenden Düsenstrahlen in Fokalpunkten miteinander kollidieren, wodurch infolge der aufeinander einwirkenden Energie sehr kleine Tröpfchen generiert werden.
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DE 197 13 377 beansprucht eine Düse, in welcher ein Fluid, insbesondere Kraftstoff so durch Kanäle geführt wird, dass ein drallbehafteter Fluidstrom entsteht, der mit einem zweiten Fluidstrom, insbesondere Verbrennungsluft kollidiert, wodurch die Kraftstofftropfen zerfallen, eine Feinverteilung des Kraftstoffes entsteht.
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Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung einer feineren Verteilung des Kraftstoffes ist in
US 5 150 836 aufgeführt. Dabei wird der Kraftstoff aus einer offenen Düse durch einen Gasimpuls in einen Motoransaugkanal oder eine Brennkammer abgegeben, wobei der Druck und die Menge des Gases vorzugsweise ausreichend sind, um den Kraftstoff mit nahezu Schallgeschwindigkeit aus der Düse austreten zu lassen.
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Die vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen zur Verbesserung der Verbrennung durch Einwirkung auf die Kraftstofftropfen sind konstruktiv und/oder energetisch aufwendig. Des Weiteren werden wichtige Zielfunktionen nur teilweise erfüllt. Bei hohen Einspritzdrücken ist außerdem der energetische Aufwand unter Umständen so hoch, dass keine Vorteile daraus entstehen.
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Ziel der Erfindung
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbrennung von Kraftstoff, vorzugsweise Diesel oder ähnlichem Kraftstoff so zu führen, dass die Rußbildung deutlich verringert, vorzugsweise gegen Null gebracht wird, die NOx-Bildung erheblich verringert wird, durch eine bessere Verbrennung der Wirkungsgrad erhöht wird und mit der verbesserten Verbrennung die Motordrehzahl und damit die Leistung erhöht werden kann.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Einspritzung des Kraftstoffes, die erste Einspritzung, die Voreinspritzung in ein Vakuum erfolgt. Das Vakuum besteht aus Luft und/oder Abgas, wobei die Zusammensetzung dieser beiden Komponenten in Abhängigkeit von der Einspritzmenge von Kraftstoff gesteuert oder geregelt wird. Vorzugsweise wird dabei ein geringer λ-Wert von kleiner 2 verwendet, vorteilhafter Weise ein λ-Wert von 0,8 bis 1,2.
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Die Voreinspritzung kann sowohl direkt in das Vakuum des Raumes, der aus Hubraum und teilweise Verdichtungsraum besteht, im Nachfolgenden auch als Vakuumraum bezeichnet, erfolgen oder alternativ in einen Raum, der dem Ansaugbereich des Arbeitszylinders vorgeschaltet ist. Im ersten Fall wird die Kolbenbewegung zur Erzeugung des Vakuums benutzt, bei der alternativen Methode können auch andere Verfahren der Vakuumerzeugung zur Anwendung kommen. Das Vakuum wird in diesem Fall außerhalb des Arbeitszylinders erzeugt, dergestalt, dass vor dem Einlassventil des Arbeitszyliders eine Vorrichtung, beispielsweise ein Kolben-Zylinder-System angeordnet ist und in dem das Vakuum erzeugt wird sowie auch die Voreinspritzung erfolgt. Das erzeugte Kraftstoff-Gas-Gemisch wird dann über das Einlassventil dem Arbeitszylinder zugeführt.
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Das einzustellende Vakuum ist ein Grobvakuum und wird üblicherweise im Bereich von 0,5 bis 0,1 des Anfangsdruckes liegen. Die Steuerung oder Regelung des Vakuums zur Anpassung an den jeweiligen Kraftstoff erfolgt beispielsweise und in einfacher Weise über den Drehwinkel der Kurbelwelle und somit über den Kolbenhub. Vorteilhaft ist es, den Kraftstoff vor dem Einspritzen vorzuwärmen, im Allgemeinen unter 100 °C, vorzugsweise auf 70 °C bis 80 °C. Durch die Einspritzung in das Vakuum kommt es zu einer schnellen Verdampfung des Kraftstoffes, wodurch dann nachfolgend durch die Kompression des Kraftstoff-Gas-Gemisches eine spontane und gleichmäßige Verbrennung erfolgt und die Verzögerungszeit üblicherweise im Vergleich zum klassischen Dieselprozess verringert ist. Nach der Voreinspritzung erfolgt die Haupteinspritzung vorzugsweise in die Flammenfront der Voreinspritzung; die Haupteinspritzung kann dabei aus einem oder mehreren Einspritzvorgängen bestehen. Durch die Mehrfacheinspritzung wird eine Homogenisierung der Verbrennung erreicht. Unter Umständen kann auch noch eine Nacheinspritzung erfolgen.
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Über die Bewegung des Kolbens wird mittels Ventile und/oder Klappen und/oder wirkähnlichen Konstruktionselementen die Zufuhr von Frischluft und Abgas das λ-Verhältnis eingestellt.
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Die vorgenannten Maßnahmen sind im gleichen Umfang auch bei höherem Druck von Frischluft und Abgas als bei Umgebungsdruck realisierbar. Die Bildung des Vakuums erfolgt jeweils nach dem Arbeitstakt und dem anschließenden Ausstoßen des verbrannten Kraftstoff-Abgas-Gemisches, wobei das Auslassventil des Arbeitszylinders offen, das Einlassventil geschlossen ist. Mit dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens schließt das Auslassventil. Dadurch, dass beim Ausstoßen des verbrannten Kraftstoff-Abgas-Gemisches wegen des offenen Auslassventils der Druck jeweils der Umgebungsdruck des Motors ist, erfolgt die Erzeugung des Vakuums bei diesen Ausgangsbedingungen. Nachfolgend kann dann, als vorteilhafte Maßnahme die Zuführung von Luft und Abgas bei höherem Drücken als bei Umgebungsdruck erfolgen. Damit ist eine Aufladung des Motors vorteilhaft realisiert.
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Durch die aufgeführten Maßnahmen wird die Verbrennung sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch der Temperaturverteilung vorteilhaft beeinflusst.
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Im Ergebnis wird die Rußbildung und die NOx-Bildung verringert, der Wirkungsgrad verbessert und durch die kürzeren Verbrennungszeiten erhöht sich die maximale Drehzahl im Vergleich zum klassischen Dieselprozess.
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Beispielhafte Ausgestaltung
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen 1 bis 3. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Lösung mit der Bildung des Vakuums im Verdichtungsraum und teilweise im Hubraum des Verbrennungsmotors.
- 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau von einem der Arbeitseinheit des Motors vorgeschaltetem Zylinder, in dem die Verdampfung des Kraftstoffes realisiert wird.
- 3 zeigt beispielhaft die Realisierung der definierten Zufuhr von Frischluft und Abgas, der Einstellung eines vorgegebenen λ-Wertes durch Ventile und/oder Klappen.
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Fig. 1
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In der 1 ist beispielhaft der Arbeitszylinder 1 des Motors mit dem Kolben 2, den Ventilen 6 für die Zufuhr der Luft mit rückgeführtem Abgas, dem Einlassventil, dem Ventil 7 für das Abgas, dem Auslassventil und der Einspritzdüse 5 dargestellt. Zur Ergänzung ist der Verdichtungsraum Vc 3 und der Hubraum VH 4 aufgeführt.
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In Funktion des Motors werden nach dem Ausstoßen des verbrannten Kraftstoffes mit den Abgasen das Einlassventil und das Auslassventil geschlossen. Durch die Kolbenbewegung nach unten entsteht in dem Raum aus Verdichtungsraum 3 und je nach Kolbenstellung Teile des Hubraumes 4, dem Vakuumraum ein Vakuum. Bei vorgegebener Größe des Vakuums erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes, die Voreinspritzung. Im Vakuum verdampft der eingespritzte Kraftstoff und bildet eine weitgehend homogene Verteilung im Vakuumraum aus. Gegenüber der Verdampfung der Kraftstofftröpfchen unter Normaldruck ist die Verdampfung im Vakuum deutlich begünstigt. Je nach Position des Kolbens und damit des eingestellten Vakuums wird kurz nach dem Einspritzen in das Vakuum das Einlassventil 6 geöffnet und damit bei weiterer Kolbenbewegung nach unten wird Frischluft und im Allgemeinen rückgeführtem Abgas mit eingestelltem, definiertem λ-Verhältnis zugeführt. Dabei findet ein Druckausgleich statt. Durch die anschließende Kompression des Gemisches aus Kraftstoff, Luft und Abgas erfolgt auf Grund der Homogenität der Komponenten und der gasförmigen Verteilung des Kraftstoffes eine schnelle, explosionsartige Verbrennung mit geringer Verzögerungszeit, nahezu eine Gleichraumverbrennung. In die sich dabei ausbildende thermisch weitgehende homogene Verbrennung, in diese Flammenfront erfolgt die Haupteinspritzung, die aus einer Einspritzung oder mehreren Einspritzvorgängen bestehen kann, wobei auch mehrere Einspritzungen zu einer Homogenisierung der Verbrennung führen. Eine Nacheinspritzung kann dem angeschlossen sein. Nach dem Arbeitstakt werden die Komponenten der Verbrennung durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens aus dem geöffneten Auslassventil ausgestoßen. Der nächste Arbeitstakt mit Bildung des Vakuums beginnt.
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Fig. 2
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2 zeigt die schematische Darstellung des dem Motor vorgeschalteten Zylinders 8, dem Verdampfungszylinder, in dem die Verdampfung des Kraftstoffes für die erste Einspritzung, die Voreinspritzung erfolgt. Zur Erzeugung des Vakuums, das im Allgemeinen ein Luft- und Abgas-Gemisch ist, bewegt sich der Kolben 9 im Zylinder 8 so, dass bei geschlossenen Ventilen 11 und 12 im Raum oberhalb des Kolbens ein Vakuum entsteht. Bei dem vorliegendem, eingestelltem Vakuum, definiert durch die Stellung des Kolbens 9, wird durch die Düse 10 Kraftstoff eingespritzt, der im Vakuum schnell verdampft. Es entsteht ein im Wesentlichen homogenes Kraftstoff-Gas-Gemisch. Mit weiterer Vergrößerung des Vakuumraumes durch die Bewegung des Kolbens 9 wird das Einlassventil 11 geöffnet und dem vorliegenden Kraftstoff-Gas-Gemisch wird Luft und/oder Abgas in definierter Menge zugeführt. Das dann im Zylinder 8, im Zylinder für die Verdampfung des Kraftstoffes vorliegende homogene Kraftstoff-Gas-Gemisch wird über das Auslassventil 12 dem Arbeitszylinder 1 über das Einlassventil 6 zugeführt. Das entstehende Kraftstoff-Gas-Gemisch im Arbeitszylinder 1 wird komprimiert, entzündet sich und in die dadurch entstehende Flammenfront erfolgt dann die Haupteinspritzung bzw. mehrere Einspritzungen über die Düse 5. Der Arbeitstakt erfolgt bei geschlossenen Ventilen 6 und 7. Nach Erreichen des unteren Totpunktes wird mit weiterer Bewegung des Kolbens 2 das verbrannte Kraftstoff-Abgas-Gemisch über das Auslassventil 7 ausgestoßen. Der neue Arbeitstakt des Arbeitszylinders 1 beginnt mit der Zuführung des Kraftstoff-Gas-Gemisches aus dem Verdampfungszylinder 8 nach Öffnung des Einlassventils 6.
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Bei einer alternativen Arbeitsweise kann die Zufuhr von Luft und/oder Abgas dem vorgeschalteten Verdampfungszylinder auch partiell erfolgen. Dabei wird nach Übergabe des Kraftstoff-Gas-Gemisches aus dem Verdampfungszylinder 8 an den Arbeitszylinder 1 die definierte Einstellung des Luft-Abgas-Verhältnisses, das X-Verhältnis durch die Zufuhr von Luft und/oder Abgas im Arbeitszylinder realisiert. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, dass dem Kraftstoff-Gas-Gemisch nach dem Vakuum im Verdampfungszylinder 8 zunächst Abgas über das Einlassventil 11 zugeführt wird und nach Übergabe dieses Kraftstoff-Gas-Gemisches an den Arbeitszylinder1 über das Einlassventil 6 des Arbeitszylinders dann die für die Verbrennung notwendige Menge Luft, bei vorgegebenem X-Verhältnis zugeführt wird.
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Fig. 3
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3 zeigt beispielhaft schematisch einen Ventilblock 16, in dem das Luft-Abgas-Verhältnis eingestellt wird. Dabei können die Ventile auch als Klappen oder ähnliche Konstruktionselemente ausgebildet sein. Die Gasbewegung im Ventilblock wird verursacht durch die Druckverhältnisse aus der Bewegung des Kolbens 2 im Arbeitszylinder 1 bzw. der Bewegung des Kolbens 9 im Verdampfungszylinder 8. In beiden Fällen wird zur Einhaltung des vorgegebenen λ-Verhältnisses die Steuerung oder Regelung der Luft und der Abgase erforderlich. In der beispielhaften Darstellung wird über das Ventil 13 Luft 18 in den Arbeitszylinder 1 zugeführt. Dabei ist das Ventil 14 für die Luft offen, für das Abgas 15 geschlossen. Nachdem die vorgesehene Menge Luft in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens 2 des Arbeitszylinders 1 über den Ventilausgang 17 zugeführt wurde, wird das Ventil 13 geschlossen und Ventil 14 so umgesteuert, dass Abgas über die Zuführung 15 und den Ventilausgang 17 an dem Arbeitszylinder 1 übergeben wird. Zuführung von Luft und Abgas kann auch in umgekehrter Reihenfolge stattfinden. Der Ventilblock 16 ist konstruktiv so ausgelegt, dass das Restvolumen in den Leitungen und Ventilen minimal ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Arbeitszylinder
- 2.
- Kolben
- 3.
- Verdichtungsraum
- 4.
- Hubraum
- 5.
- Einspritzdüse
- 6.
- Ventil (Einlassventil)
- 7.
- Ventil (Auslassventil)
- 8.
- Verdampfungszylinder
- 9.
- Kolben
- 10.
- Einspritzdüse für erste Einspritzung
- 11.
- Einlassventil
- 12.
- Auslassventil
- 13.
- Ventil
- 14.
- Ventil
- 15.
- Zuführung Abgas
- 16.
- Ventilblock
- 17.
- Ventilausgang zum Arbeitszylinder
- 18.
- Zuführung Frischluft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3058208 B1 [0007]
- DE 19713377 [0008]
- US 5150836 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2012, Seiten 572 - 578, 591 - 595, 1002 -1003 [0002]
