DE10135062A1

DE10135062A1 - Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Brennraum

Info

Publication number: DE10135062A1
Application number: DE10135062A
Authority: DE
Inventors: Miroslaw Weclas
Original assignee: Invent Entwicklung Neuer Technologien GmbH
Current assignee: GVP Gesellschaft zur Vermarktung der Porenbrennertechnik mbH
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-02-13
Also published as: WO2003008778A2; WO2003008778A3; AU2002340792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW oder LKW, mit folgenden Schritten: DOLLAR A a) direktes Einspritzen des Brennstoffs (F) in eine zentrale Zone (8) des Brennraums zu einem vorgegebenen Zeitpunkt während des Verdichtens, DOLLAR A b) weiteres Verdichten des Brennstoffs (F) mit im Brennraum vorgelegter Luft (L) und Drücken des Brennstoffs (F) in ein den Brennraum in eine äußere (7) und eine zentrale Zone (8) unterteilendes, eine mittlere Zone bildendes, erstes poröses Element (6), wobei der Brennstoff (F) verdampft und mit darin vorgelegter Luft gemischt wird, und DOLLAR A d) Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW oder LKW, sowie einen Brennraum.

Aus der DE 197 53 407 A1 ist ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird ein Luft/Brennstoff-Gemisch durch ein Einlaßventil in einen Brennraum geführt. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird verdichtet und dabei in einen den Brennraum erfüllenden Porenkörper gedrückt. Es wird anschließend im wesentlichen im Porenkörper verbrannt. Durch die Verbrennung im Porenkörper wird eine nahezu rückstandsfreie Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs erreicht.

Die US 3,923,011 beschreibt eine weitere derartige Hubkolben- Brennkraftmaschine. Dabei ist eine den Brennraum teilweise erfüllende poröse Katalysatorplatte vorgesehen.

Aus der US 4,381,745 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein ringförmig ausgebildeter Porenkörper im Brennraum angeordnet ist. Der Brennstoff wird durch ein Brennstoffeinlaßventil auf den Porenkörper geleitet.

Nach dem Stand der Technik sind ferner Hubkolben-Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen Flüssigbrennstoff direkt unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt wird. Dieses sogenannte Prinzip der "Direkteinspritzung" wird derzeit insbesondere bei Dieselmotoren verwendet. Es kann damit eine Leistungssteigerung erzielt werden. Die Leistungssteuerung der Hubkolben-Brennkraftmaschine erfolgt nach dem Prinzip der "Direkteinspritzung" durch eine Steuerung des Einspritzdrucks. - Wegen der fest vorgegebenen Geometrie des Brennraums tritt das Problem auf, daß die Gemischbildung und damit die Verbrennung jeweils nur in einem bestimmten Lastbereich als optimal angesehen werden können. In anderen Lastbereichen, z. B. bei Vollast, erreicht die Flammfront wegen des hohen Einspritzdrucks die Wand des Zylinders. Die Flamme kühlt dort ab; es kommt zur Bildung von Ruß. Die Verbrennung ist nach dem Prinzip der "Direkteinspritzung" nicht in allen Lastbereichen als besonders rückstandsfrei anzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff sowie ein geeigneter Brennraum angegeben werden, mit denen bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung eine möglichst rückstandsfreie Verbrennung in allen Lastbereichen erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 21.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW oder LKW, mit folgenden Schritten vorgesehen:

a) Direktes Einspritzen des Brennstoffs in eine zentrale Zone eines Brennraums zu einem vorgegebenen Zeitpunkt während des Verdichtens,
b) weiteres Verdichten des Brennstoffs mit im Brennraum vorgelegter Luft und Drücken des Brennstoffs in ein den Brennraum in eine äußere und die zentrale Zone unterteilendes, eine mittlere Zone bildendes, erstes poröses Element, wobei der Brennstoff verdampft und mit der Luft gemischt wird, und
c) Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs.

Mit den vorgeschlagenen Verfahren kann in allen Lastbereichen eine besonders rückstandsarme Verbrennung bei nach dem Prinzip der "Direkteinspritzung" arbeitenden Hubkolben-Brennkraftmaschinen erreicht werden. Der Brennraum ist dazu in drei Zonen gegliedert, wobei eine mittlere Zone einen erhöhten Strömungswiderstand aufweist. Eine äußere Zone wirkt gewissermaßen als "Puffer". Bei niedrigen Einspritzdrücken wird der Brennstoff im wesentlichen in die mittlere Zone gedrückt. Bei hohen Einspritzdrücken gelangt der Brennstoff bis in die äußere Zone. Es wird eine besonders saubere Verbrennung in allen Lastbereichen erzielt.

Zweckmäßigerweise wird vor dem Einspritzen des Brennstoffs Luft in den Brennraum angesaugt und durch das erste poröse Element in die äußere Zone gedrückt. Im Betrieb ist das erste poröse Element heiß. Die Luft wird vorgewärmt zur Mischung mit dem Brennstoff bereit gehalten.

Der Brennstoff wird im Teillastbereich im wesentlichen in eine der zentralen Zone benachbarten Bereich der mittleren Zone gedrückt. Die Einspritzdüse und der Porendurchmesser des ersten porösen Elements sind entsprechend eingestellt. Im Teillastbereich findet eine anfängliche erste Verbrennung des Gemischs im wesentlichen im Randbereich der mittleren und der zentralen Zone statt. Eine nachfolgende zweite Verbrennung wird in diesen Fall vorteilhafterweise unter Verwendung von Luft durchgeführt, welche bei der Expansion von der äußeren Zone durch die mittlere Zone in die zentrale Zone geführt wird. Durch die während eines späten Abschnitts der Verbrennung bereitgestellte Luft können unerwünschte Verbrennungsrückstände, z. B. Ruß, verbrannt werden. Es wird im Teillastbereich eine besonders saubere Verbrennung erzielt. Im Vollastbereich wird zweckmäßigerweise ein wesentlicher Teil des Brennstoffs durch die mittlere in die äußere Zone gedrückt. Der Brennstoff wird dabei verdampft. Insbesondere in der äußeren Zone entsteht ein homogenes Luft/Brennstoff-Gemisch. Vorteilhafterweise findet im Vollastbereich eine anfängliche erste Verbrennung des Gemischs im wesentlichen im Randbereich der mittleren und in der äußeren Zone statt. Die Flammfront wandert durch die mittlere Zone in die zentrale Zone. Eine nachfolgende zweite Verbrennung wird zweckmäßigerweise unter Verwendung von Luft durchgeführt, welche in der zentralen Zone zurückgeblieben ist. Auch im Vollastbereich findet also während eines späten Verbrennungsabschnitts eine Nachverbrennung statt. Es wird auch in diesem Lastbereich eine besonders saubere Verbrennung erreicht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist die zentrale Zone ein durch das erste poröse Element abgeteilter Hohlraum oder aus einem zweiten porösen Element gebildet, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements ist. Die äußere Zone kann ebenfalls ein durch das erste poröse Element abgeteilter Hohlraum oder aus einem dritten porösen Element gebildet sein, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements ist.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Brennraum für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, insbesondere für PKW oder LKW, vorgesehen, bei dem bei am oberen Totpunkt befindlichem Kolben ein erstes poröses Element mit einem kommunizierenden Porenraum den Brennraum in eine zentrale Zone, eine durch das erste poröse Element gebildete mittlere Zone und eine sich an das erste poröse Element anschließende äußere Zone teilt, wobei eine Einspritzdüse zum unmittelbaren Einspritzen von Brennstoff in die zentrale Zone vorgesehen ist. - Der vorgeschlagene Brennraum ermöglicht eine in allen Lastbereichen besonders rückstandsfreie Verbrennung bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung.

Es wird eine Nachverbrennung mit im Brennraum gespeicherter Luft ermöglicht. Ein Auftreffen der Flammfront auf den Zylinder wird vermieden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste poröse Element ringförmig ausgebildet und es umgibt die zentrale Zone. Ferner kann die äußere Zone das erste poröse Element umgeben. Durch die konzentrische Anordnung der Zonen wird eine besonders gleichmäßige Gemischbildung und Verbrennung erreicht.

Das erste poröse Element kann in einer am Kolbenboden vorgesehenen Ausnehmung gehalten sein. Es kann aber auch sein, daß das erste poröse Element in einer am Zylinderkopf vorgesehenen Ausnehmung aufgenommen ist. Schließlich ist es denkbar, daß das erste poröse Element abschnittsweise am Kolben und abschnittsweise am Zylinderkopf angebracht ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die das erste poröse Element aufnehmende Ausnehmung so ausgebildet, daß ein Be- bzw. Entladen der äußeren Zone ausschließlich durch das erste poröse Element erfolgt. Damit wird eine besonders homogene Gemischbildung erreicht. Die Verbrennung ist effektiv und erfolgt schadstoffarm.

Ferner ist vorteilhafterweise in der Mitte des Kolbenbodens eine Erhebung vorgesehen. Die Erhebung dient der möglichst gleichmäßigen Verteilung eines darauf gerichteten Strahls an eingespritztem Brennstoff. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß das erste poröse Element einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,2 bis 5,0 mm aufweist. Der mittlere Porendurchmesser des zweiten porösen Elements ist in jeden Fall größer als der des ersten porösen Elements. Das kann soweit gehen, daß das zweite poröse Element weggelassen und an dessen Stelle ein Hohlraum vorgesehen wird.

Das erste und/oder zweite und/oder dritte poröse Element kann aus Metall, Keramik oder Kohlenstoff hergestellt sein.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des Brennraums wird auch auf die zum Verfahren gemachten Ausführungen verwiesen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a-f schematische Schnittansichten und Draufsichten der Gemischverteilung zu drei Zeitpunkten im Teillastbereich,
Fig. 2a-b schematische Schnittansichten und Draufsichten der Gemischverteilung im Vollastbereich zu drei Zeitpunkten,
Fig. 3a-c Schnittansichten und eine Draufsicht eines Brennraums im Teillastbereich und
Fig. 4a-c Schnittansichten und eine Draufsicht des Brennraums gemäß Fig. 3 im Vollastbereich.
In den Fig. 1-4 ist ein Kolben 1 in einem Zylinder 2 geführt. Der Kolben 1 weist an einem Kolbenboden 3 eine Ausnehmung 4 und eine radial abfallende Erhebung 5 auf. Die Erhebung 5 ist umgeben von einem porösen Ring 6, der in der Ausnehmung 4 formschlüssig gehalten ist. Der poröse Ring 6 weist einen kommunizierenden Porenraum auf. Er ist zweckmäßigerweise aus einer hitzebeständigen Keramik oder aus Metall hergestellt. Der poröse Ring 6 verschließt einen ihn umgebenden hohlen Ringraum 7. Eine ebenfalls leer ausgeführte zentrale Zone 8 ist vom porösen Ring 6 umgeben. Eine Einspritzdüse 9 ist etwa gegenüberliegend an der Spitze der Erhebung 5 angeordnet. Der obere Totpunkt ist mit der unterbrochenen Linie TDC angedeutet. Die den porösen Ring 6 aufnehmende Ausnehmung ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß eine Strömung in die äußere Zone 7 ausschließlich durch den porösen Ring 6 erfolgt.
Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Brennraum der vorgenannten Ausbildung funktioniert wie folgt:
Im in den Fig. 1 und 3 gezeigten Teillastbereich wird während einer frühen Phase eines Verdichtungsschritts angesaugte Luft L von der zentralen Zone 8 durch den porösen Ring 6 in den Ringraum 7 gedrückt. Dabei wird auf den porösen Ring 6 bei der vorhergehenden Verbrennung übertragene Wärme auf die Luft L übertragen (Fig. 1a, b).
Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts TDC wird beim Verdichtungsschritt durch die Einspritzdüse 9 Flüssigbrennstoff, z. B. Dieselkraftstoff, in den Brennraum eingespritzt. Der Flüssigbrennstoff F wird im Teillastbereich im wesentlichen in den der zentralen Zone 8 zugewandten Randbereich des porösen Rings 6 gedrückt. Nach Erreichen des oberen Totpunkts TDC wird das Luft/Brennstoff-Gemisch gezündet. Die Flammfront wandert dabei vom porösen Ring 6 in Richtung der zentralen Zone 8. Bei der nachfolgenden Expansion wird die im Ringraum 7 gespeicherte Luft L durch den porösen Ring 6 gesaugt. Sie gelangt in die zentrale Zone 8 und wird dort während eines späten Stadiums der Verbrennung verbrannt. Diese "nachgelieferte" Luft dient im wesentlichen der Nachverbrennung von Schadstoffen, z. B. Ruß.
Im in den Fig. 2 und 4 gezeigten Vollastbereich wird während einer frühen Phase der Verdichtung Luft L ebenfalls durch den porösen Ring 6 in den Ringraum 7 gedrückt. Die Luft L wird dabei vorgewärmt (Fig. 2a, b).
Kurz vor dem oberen Totpunkt TDL wird durch die Einspritzdüse 9 Flüssigbrennstoff F unter Maximaldruck in den Brennraum eingespritzt. Der Flüssigbrennstoff F wird im Vollastbereich zum großen Teil vollständig durch den porösen Ring 6 gedrückt; er gelangt zum großen Teil in den Ringraum 7. Nach der Zündung des Gemischs wandert die Flammfront vom Ringraum 7 durch den porösen Ring 6 in Richtung der zentralen Zone 8. In der zentralen Zone 8 verbliebene Luft L dient während einer späten Phase der Verbrennung der Nachverbrennung von Schadstoffen.
Es kann so in jedem Lastbereich eine saubere und rückstandsfreie Verbrennung erzielt werden.
Der vorgeschlagene Brennraum kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens selbstverständlich auch anders gestaltet sein. So ist es z. B. möglich, den porösen Ring 6 und den ihn umgebenden Ringraum 7 am Zylinderkopf vorzusehen. Ferner ist es möglich, den Ringraum 7 und/oder die zentrale Zone 8 mit einem weiteren porösen Element auszufüllen. Das weitere poröse Element ist dabei so ausgeführt, daß dessen Strömungswiderstand geringer als der des porösen Rings 6 ist.
Auch andere Brennraumgestaltungen sind denkbar, bei denen der Brennraum in drei Zonen gegliedert ist. Solche Gestaltungen werden insbesondere dann von der Erfindung erfaßt, wenn eine mittlere Zone einen größeren Strömungswiderstand als eine äußere und eine zentrale Zone aufweist und wenn eine Zwangsführung der Strömung von der zentralen Zone durch die mittlere Zone in die äußere Zone und umgekehrt vorgesehen ist. Bezugszeichenliste 1 Kolben
2 Zylinder
3 Kolbenboden
4 Ausnehmung
5 Erhebung
6 poröser Ring
7 Ringraum
8 zentrale Zone
9 Einspritzdüse
TDC oberer Totpunkt
L Luft
F Flüssigbrennstoff

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW oder LKW, mit folgenden Schritten:

a) direktes Einspritzen des Brennstoffs (F) in eine zentrale Zone (8) des Brennraums zu einem vorgegeben Zeitpunkt während des Verdichtens,

b) weiteres Verdichten des Brennstoffs (F) mit im Brennraum vorgelegter Luft (L) und Drücken des Brennstoffs (F) in ein den Brennraum in eine äußere (7) und eine zentrale Zone (8) unterteilendes, eine mittlere Zone bildendes, erstes poröses Element (6), wobei der Brennstoff (F) verdampft und mit darin vorgelegter Luft gemischt wird, und

c) Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs.

2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Einspritzen des Brennstoffs Luft in den Brennraum angesaugt und durch das erste poröse Element (6) die äußere Zone (7) gedrückt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff im Teillastbereich im wesentlichen in einen der zentralen Zone (8) benachbarten Bereich der mittleren Zone (6) gedrückt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Teillastbereich eine anfängliche erste Verbrennung des Gemischs im wesentlichen im Randbereich der mittleren (6) und der zentralen Zone (8) stattfindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine nachfolgende zweite Verbrennung unter Verwendung von Luft durchgeführt wird, welche bei der Expansion von der äußeren Zone (7) durch die mittlere Zone (6) in die zentrale Zone (8) geführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Vollastbereich ein wesentlicher Teil des Brennstoffs durch die mittlere (6) in die äußere Zone (7) gedrückt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Vollastbereich eine anfängliche erste Verbrennung des Gemischs im wesentlichen im Randbereich der mittleren (6) und der äußeren (7) Zone stattfindet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine nachfolgende zweite Verbrennung unter Verwendung von Luft (L) durchgeführt wird, welche in der zentralen Zone (8) zurückgeblieben ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zentrale Zone (8) ein durch das erste poröse Element (6) abgeteilter Hohlraum ist oder aus einem zweiten porösen Element gebildet ist, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements (6) ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Zone (7) ein durch das erste poröse Element (6) abgeteilter Hohlraum ist oder aus einem dritten porösen Element gebildet ist, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements (6) ist.

11. Brennraum für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, insbesondere für PKW oder LKW, bei dem bei am oberen Totpunkt (TDC) befindlichem Kolben (1) ein erstes poröses Element (6) mit einem kommunizierenden Porenraum den Brennraum in eine zentrale Zone, eine durch das erste poröse Element (6) gebildete mittlere Zone und eine sich an das erste poröse Element anschließende äußere Zone (7) teilt, und wobei eine Einspritzdüse (9) zum unmittelbaren Einspritzen von Brennstoff in die zentrale Zone (8) vorgesehen ist.

12. Brennraum nach Anspruch 11, die zentrale Zone (8) ein durch das erste poröse Element (6) abgeteilter Hohlraum ist oder aus einem zweiten porösen Element gebildet ist, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements (6) ist.

13. Brennraum nach Anspruch 11 oder 12, wobei die äußere Zone ein durch das erste poröse Element (6) abgeteilter Hohlraum ist oder aus einem dritten porösen Element gebildet ist, dessen mittlerer Porendurchmesser größer als der des ersten porösen Elements (6) ist.

14. Brennraum nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das erste poröse Element (6) ringförmig ausgebildet ist und die zentrale Zone (8) umgibt.

15. Brennraum nach Anspruch 14, wobei die äußere Zone (7) das erste poröse Element (6) umgibt.

16. Brennraum nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das erste poröse Element (6) in einer am Kolbenboden (3) vorgesehenen Ausnehmung (4) gehalten ist.

17. Brennraum nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das erste poröse Element (6) in einer im Zylinderkopf vorgesehenen Ausnehmung aufgenommen ist.

18. Brennraum nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die das erste poröse Element (6) aufnehmende Ausnehmung (4) so ausgebildet ist, daß ein Be- bzw. Entladen der äußeren Zone (7) ausschließlich durch das erste poröse Element (6) erfolgt.

19. Brennraum nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei in der Mitte des Kolbenbodens (3) eine Erhebung (5) vorgesehen ist.

20. Brennraum nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei das erste poröse Element (6) einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,2 bis 5,0 mm aufweist.

21. Brennraum nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei das/die poröse Element/te (6) aus Metall, Keramik oder Kohlenstoff hergestellt ist/sind.