Titel

Verfahren zum Betreiben eines monovalenten Verbrennungsmotors mit Diffusionsverbrennung nach dem Dieselprinzip sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines monovalenten Verbrennungsmotors mit Diffusionsverbrennung nach dem Dieselprinzip mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Insbesondere im Bereich der Nutzfahrzeuge finden vorrangig monovalente Verbrennungsmotoren Einsatz, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden. Derartige Motoren weisen einen hohen Wirkungsgrad auf. Die Verbrennung von Dieselkraftstoff geht jedoch mit vergleichsweise hohen Schadstoffemissionen einher, so dass nach alternativen Konzepten gesucht wird. Besondere Beachtung finden in diesem Zusammenhang Gasmotoren, da die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas, weniger belastend für die Umwelt ist. Der Wechsel vom Dieselmotor zum Gasmotor führt jedoch in der Regel zu einem Wirkungsgradverlust sowie einem Leistungs- und

Drehmomentnachteil.

Um diese Nachteile zu beseitigen, wurden u.a. bereits Gasmotoren mit Diffusionsverbrennung nach dem Dieselprinzip vorgeschlagen. Hierbei erfolgt die Gaseinblasung - analog dem Dieselmotor - innerhalb eines kleinen Kurbelwinkelbereichs direkt in die

Verbrennung. Der Gasdruck muss dabei deutlich über dem Verbrennungsdruck liegen, so dass insbesondere Gasventile für die Hochdruck-Direkteinblasung C.high pressure - direct injection" bzw. HP-DI-Injektoren) Verwendung finden. Derartige Gasmotoren weisen im Vergleich zu anderen Gasmotoren einen hohen Wirkungsgrad, kurze Reak- tionszeiten hinsichtlich Dynamik und eine erhöhte Robustheit gegenüber kleinen Methanzahlwerten (geringere Klopfneigung bei Varianz der Gasqualität) auf.

Da die in Gasmotoren zum Einsatz gelangenden gasförmigen Kraftstoffe in der Regel nicht selbstzündend sind, muss die Verbrennung eingeleitet werden, beispielsweise durch eine vorausgehende Dieseleinspritzung mittels separatem Dieselinjektor oder mittels Gasventil mit integriertem Dieselinjektor. Alternativ kann eine Glüh- oder Zündvorrichtung eingesetzt werden. Letztere besitzt den Vorteil, dass kein Dieselkraftstoff als weiterer Kraftstoff vorgehalten werden muss, so dass der Systemaufwand deutlich geringer ist. Als Nachteil erweist sich, dass oftmals nicht alle Gasstrahlen gleichzeitig entflammt werden, so dass es zu einem Zündverzug kommt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn eine seitlich in Bezug auf den Gasinjektor angeordnete Glühkerze als Glühoder Zündvorrichtung eingesetzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines monovalenten Verbrennungsmotors, insbesondere Gasmotors, mit Diffusionsverbrennung nach dem Dieselprinzip anzugeben, bei dem ein nicht selbstzündender oder schwer zündbarer Kraftstoff, der mittels einer Einspritz- oder Einblasvorrichtung direkt in einen Brennraum eingespritzt bzw. eingeblasen wird, möglichst gleichmäßig entflammt wird. Zugleich soll der konstruktive Aufwand zur Durchführung des Verfahrens möglichst gering gehalten werden.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines monovalenten Verbrennungsmotors mit Diffusionsverbrennung nach dem Dieselprinzip wird erfindungsgemäß die Diffusionsverbrennung einer eingespritzten oder eingeblasenen Haupt- Kraftstoffmenge durch eine zuvor in den Brennraum eingebrachte und entflammte Pilot-Kraftstoffmenge des gleichen Kraftstoffs eingeleitet. Das heißt, dass nur ein Kraftstoff vorgehalten werden muss, so dass die Systemanforderungen sinken. Zugleich wird ein monovalenter Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht, der hinsichtlich der Verbrennung des Kraftstoffs optimiert werden kann, und zwar ohne Berücksichtigung eines weiteren Kraftstoffs. Darüber hinaus werden mit Wegfall des Dieselkraftstoffs als weiteren Kraftstoff die Schadstoffemissionen reduziert.

Die Entflammung der zeitlich vor der Haupt- Kraftstoff menge in den Brennraum eingebrachten Pilot- Kraftstoff menge kann unter Verwendung einer einfachen Glühvorrichtung, beispielsweise einer Glühkerze, bewirkt werden, so dass die Systemanforderungen weiterhin gering bleiben.

Bevorzugt wird die Einspritz- oder Einblasvorrichtung sowohl zum Einspritzen bzw. Einblasen der Haupt-Kraftstoffmenge, als auch der Pilot- Kraftstoffmenge verwendet. Dabei können die Haupt- Kraftstoffmenge und die Pilotkraftstoffmenge über dieselben oder unterschiedliche Einspritz- bzw. Einblasöffnungen derselben Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung in den Brennraum eingebracht werden. Durch Verwendung derselben Einspritz- oder Einblasvorrichtung kann eine gleichmäßige Verteilung der zeitlich vor der Haupt- Kraftstoffmenge eingebrachten Pilot- Kraftstoffmenge um die Einspritz- oder Einblasöffnungen herum erreicht werden. Dabei vermischt sich die Pilot- Kraftstoffmenge mit der im Brennraum vorhandenen Luft, so dass ein Kraftstoff-Luft- Gemisch entsteht, dass mittels einer Glühvorrichtung, wie beispielsweise einer einfachen Glühkerze, leicht zu entflammen ist. Die gleichmäßige Verteilung der Pilot- Kraftstoffmenge um die Einspritz- bzw. Einblasöffnungen herum stellt wiederum sicher, dass die nachfolgend eingespritzte bzw. eingeblasene Haupt-Kraftstoffmenge über die bereits brennende Pilot- Kraftstoffmenge gleichmäßig und ohne nennenswerten Zeitverzug entflammt wird.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Injektor, insbesondere ein HP-DI-Injektor, als Einspritz- oder Einblasvorrichtung eingesetzt. Auf diese Weise können hohe Gasdrücke realisiert werden. Da nur eine Kraftstoffart eingespritzt bzw. eingeblasen wird, kann die Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung einfach gehalten werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mit Einspritzen bzw. Einblasen der Pilot- Kraftstoff menge in den Brennraum eine Kraftstoff -Luft- Gemischwolke erzeugt, die eine Düse der Einspritz- oder Einblasvorrichtung ringförmig umgibt. Das heißt, dass die Pilot- Kraftstoffmenge derart einzubringen ist, dass sie sich nah an der Einspritz- oder Einblasvorrichtung mit Luft vermischt, um eine die Düse umgebende Kraftstoff-Luft-Gemischwolke zu bilden. Vorzugsweise umgibt die Kraftstoff- Luft-Gemischwolke die Düse im Bereich der Einspritz- oder Einblasöffnungen, so dass die nachfolgend eingespritzte bzw. eingeblasene Haupt- Kraftstoffmenge sicher auf die Kraftstoff-Luft-Gemischwolke trifft, nachdem diese entflammt worden ist. Wie bereits erwähnt kann es sich bei den Einspritz- bzw. Einblasöffnungen um solche handeln, die nur der Einspritzung der Pilot- Kraftstoffmenge bzw. der Haupt- Kraftstoffmenge dienen oder die ein zeitlich versetztes Einspritzen bzw. Einblasen der Pilot- Kraftstoffmenge als auch der Haupt-Kraftstoffmenge ermöglichen. Um das Einspritzen bzw. Einblasen der Pilot- Kraftstoff menge separat von der Haupt- Kraftstoffmenge steuern zu können, werden insbesondere räumlich getrennte Einspritz- bzw. Einblasöffnungen vorgeschlagen.

Idealerweise wird die Haupt- Kraftstoffmenge durch die brennende Kraftstoff- Luft- Gemischwolke oder eine aufgrund der Verbrennung verbleibende Abgaswolke hindurch in den Brennraum eingespritzt bzw. eingeblasen. Die brennende oder verbrannte Gemischwolke ist demnach so zu platzieren, dass sie durch die Kraftstoffstrahlen der Haupt- Kraftstoffmenge getroffen wird. Auf diese Weise ist eine sichere Entflammung der Hauptkraftstoffmenge über die entflammte Pilotkraftstoffmenge oder das heiße Abgas gewährleistet, das übrig bleibt, wenn die Pilot-Kraftstoffmenge verbrennt.

Vorteilhafterweise wird die zuvor in den Brennraum eingebrachte Pilot- Kraftstoff menge mittels einer Glüh- oder Zündvorrichtung, vorzugsweise mittels einer Glühkerze, entflammt. Glühkerzen sind einfach zu montieren und bei Bedarf leicht austauschbar. Die punktuelle Entflammung der Pilot- Kraftstoffmenge über eine seitlich angeordnete Glühkerze stellt vorliegend keinen Nachteil dar, wenn sichergestellt ist, dass sich bis zum Einspritzen bzw. Einblasen der Haupt-Kraftstoffmenge eine vollständig entflammte Kraftstoff-Luft-Gemischwolke bzw. heiße Abgaswolke ringförmig um die Einspritz- bzw. Einblasöffnungen legen kann. Eine Kombination der Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung mit einer Glüh- bzw. Zündvorrichtung ist in diesem Fall nicht erforderlich, so dass diese vergleichsweise einfach gehalten werden kann. Weiterhin vorzugsweise wird ein Steuergerät zur bedarfsgerechten Steuerung oder Regelung der Glüh- oder Zündvorrichtung eingesetzt. Auf diese Weise kann das Verfahren besonders energieeffizient betrieben werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass vor dem Einspritzen bzw. Einblasen der Haupt-Kraftstoffmenge mehrere aufeinanderfolgende Pilot- Kraftstoffmengen eingespritzt bzw. eingeblasen werden. Die weiteren in den Brennraum eingebrachten Pilot- Kraftstoff mengen dienen der Stabilisierung der ringförmigen Kraftstoff-Luft-Gemischwolke und/oder der Formung des Brennverlaufs der Pilot- Kraftstoffmenge und/oder der Haupt- Kraftstoff menge.

Bevorzugt wird die Haupt- Kraftstoffmenge strahlenförmig in den Brennraum eingespritzt bzw. eingeblasen. Das heißt, dass mittels der Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung Kraftstoffstrahlen geformt werden, die mittels der Pilot- Kraftstoffmenge entflammt werden, wenn sie auf die aus der Pilot- Kraftstoff menge und Luft gebildete brennende oder verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemischwolke treffen. Des Weiteren bevorzugt erfolgt das Einspritzen bzw. Einblasen der Haupt-Kraftstoffmenge unter Hochdruck, um eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum sicherzustellen.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein gasförmiger Kraftstoff, insbesondere Erdgas, als nicht selbstzündender oder schwer zündbarer Kraftstoff verwendet. Die Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe, wie beispielsweise Erdgas, führt zu geringen Schadstoffemissionen, so dass die Umwelt weniger belastet wird. Insbesondere kann im Vergleich zur Verbrennung von Dieselkraftstoff der ΝΟχ-Ausstoß reduziert werden. Ferner nimmt die Belastung durch Partikel bzw. Feinstaub ab.

Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf umfasst, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, und wobei in den Zylinderkopf eine Einspritz- oder Einblasvorrichtung eingesetzt ist, mittels welcher der nicht selbstzündende oder schwer zündbare Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzbar bzw. einblasbar ist, und wobei die Einspritz- oder Einblasvorrichtung eine Düse mit mehreren ringförmig angeordneten Einspritz- oder Einblasöffnungen aufweist, über welche eine Pilot- Kraftstoff menge und eine Haupt-Kraftstoffmenge zeitlich versetzt einspritzbar bzw. einblasbar sind.

Vorzugsweise sind erste Einspritz- bzw. Einblasöffnungen zum Einspritzen bzw. Einlasen der Pilot- Kraftstoff menge sowie zweite Einspritz- bzw. Einblasöffnungen zum Einspritzen bzw. Einblasen der Haupt-Kraftstoffmenge vorgesehen. Durch Trennung der Einspritz- bzw. Einblasöffnungen kann der jeweilige Einspritz- bzw. Einblasvorgang optimal gesteuert werden. Alternativ können dieselben Einspritz- bzw. Einblasöffnungen zum Einspritzen bzw. Einblasen der Pilot- Kraftstoffmenge und der Haupt- Kraftstoffmenge verwendet werden, da die Pilot- Kraftstoffmenge und die Haupt- Kraftstoffmenge zeitlich versetzt eingespritzt bzw. eingeblasen werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Glüh- oder Zündvorrichtung, vorzugsweise eine Glühkerze, zum Entflammen der Pilot- Kraftstoffmenge vorgesehen ist. Die Glühkerze stellt eine eigenständige Komponente dar, die einfach zu montieren und bei Bedarf leicht austauschbar ist. Ferner muss keine Glüh- oder Zündvorrichtung in die Einspritzoder Einblasvorrichtung integriert werden, so dass der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1, 3 und 5 jeweils einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in unterschiedlichen Betriebszuständen und

Fig. 2, 4 und 6 jeweils eine schematische Ansicht der in den Längsschnitten dargestellten Vorrichtungen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in den Figuren schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst einen Zylinderkopf 8, in dem ein Brennraum 2 ausgebildet ist. In einer den Brennraum 2 begrenzenden Wand 10 des Zylinderkopfs 8 ist eine Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung 1 in der Weise eingesetzt, dass eine Düse 4 der Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung 1 brennraumseitig zu liegen kommt. Die Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung 1 dient dem Einspritzen bzw. Einblasen eines nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren Kraftstoffs, wie beispielsweise Erdgas, in den Brennraum 2 der Vorrichtung, wobei der Kraftstoff direkt in den Brennraum 2 eingespritzt bzw. eingeblasen wird. In der Düse 4 sind hierzu mehrere Einspritz- bzw. Einblasöffnungen 5 ausgebildet, die ringförmig und in gleichem Winkelabstand zueinander, vorliegend 90°, angeordnet sind. Ferner ist eine Glüh- oder Zündvorrichtung 7 in Form einer Glühkerze vorgesehen, die seitlich in Bezug auf die Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung 1 angeordnet ist und dem Entflammen des nicht selbstzündenden bzw. schwer zündbaren Kraftstoffs dient.

Mittels der Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung 1 ist eine Pilot- Kraftstoff menge einspritz- bzw. einblasbar, die sich mit der im Brennraum 2 vorhandenen Luft mischt und eine sich um die Düse 4 legende Kraftstoff-Luft-Gemischwolke 3 bildet (siehe Figuren 1 und 2). Die zur Einspritz- bzw. Einblasvorrichtung zeigende Spitze 11 der Glühkerze ist bereits erhitzt, es findet jedoch noch keine Entflammung der Kraftstoff- Luft- Gemischwolke 3 statt.

Mit zunehmender Durchmischung und Ausdehnung der Kraftstoff-Luft-Gemischwolke 3 im Brennraum 2 erreicht diese die erhitzte Spitze 11 der Glühkerze und entzündet sich. Ausgehend von der Glühkerze kommt es zum Durchbrand der gesamten ringförmig um die Düse 4 herum liegenden Kraftstoff-Luft-Gemischwolke 3 (siehe Pfeile 12 in der Fig.4).

Das Verfahren ist vom zeitlichen Ablauf so gestaltet, dass die Pilot- Kraftstoff menge vergleichsweise früh eingespritzt bzw. eingeblasen wird, damit die Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Gemischwolke 3 zum Zeitpunkt der Einspritzung bzw. Einblasung der Haupt- Kraftstoffmenge ausreichend Verbrennungswärme bereitstellt.

Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, wird die Haupt-Kraftstoffmenge ebenfalls über die Einspritz- bzw. Einblasöffnungen 5 eingebracht. Die Kraftstoffstrahlen 9 der Haupt- Kraftstoffmenge durchdringen dabei die brennende Kraftstoff-Luft-Gemischwolke 3 bzw. eine noch heiße Abgaswolke 6, die bei Verbrennung der Kraftstoff- Luft- Gemischwolke 3 zurückbleibt. Beim Durchdringen der Wolke 3, 6 nehmen die Kraftstoffstrahlen 9 Wärmeenergie auf und entflammen sich, sobald sie im Brennraum 2 auf unverbrannte Luft treffen. Das Eindringen der Kraftstoffstrahlen 9 in den Brennraum 2 erfolgt radial gleichmäßig.

Dem Einspritzen bzw. Einblasen der Haupt- Kraftstoffmenge können auch mehrere Pilot-Einspritzungen bzw. Einblasungen vorausgehen. Ob dies geboten ist, hängt unter anderem von der konkreten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere von der konkreten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors der Vorrichtung, ab.