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EP2129894A2 - Combustion method for a reciprocating engine - Google Patents

Combustion method for a reciprocating engine

Info

Publication number
EP2129894A2
EP2129894A2 EP08716564A EP08716564A EP2129894A2 EP 2129894 A2 EP2129894 A2 EP 2129894A2 EP 08716564 A EP08716564 A EP 08716564A EP 08716564 A EP08716564 A EP 08716564A EP 2129894 A2 EP2129894 A2 EP 2129894A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
combustion
combustion chamber
ignition
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08716564A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Huebner
Amin Velji
Sebastian Hensel
Christof Schulz
Boris Kock
Norbert Peters
Olaf RÖHL
Konstantinos Boulouchos
Ulrich Spicher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP2129894A2 publication Critical patent/EP2129894A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D13/00Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0261Controlling the valve overlap
    • F02D13/0265Negative valve overlap for temporarily storing residual gas in the cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30Controlling fuel injection
    • F02D41/3011Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3017Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
    • F02D41/3035Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/12Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002Controlling intake air
    • F02D2041/001Controlling intake air for engines with variable valve actuation
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/30Controlling fuel injection
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    • F02D41/402Multiple injections
    • F02D41/403Multiple injections with pilot injections
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/01Internal exhaust gas recirculation, i.e. wherein the residual exhaust gases are trapped in the cylinder or pushed back from the intake or the exhaust manifold into the combustion chamber without the use of additional passages
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a combustion method, in particular for a 4-stroke reciprocating piston internal combustion engine having the features of the preamble of patent claim 1.
  • HCCI or CAI internal combustion engines also known as internal combustion engines with Regenzündverbrennung, a lean basic mixture of air, fuel and retained exhaust gas is usually formed in the lower part load and ignited itself. To higher loads occur by the auto-ignition steep pressure increases in the combustion chamber, which would lead to an impairment of the operation.
  • Object of the present invention is to show a combustion process, in particular for a 4-stroke reciprocating internal combustion engine, with a very precise control of the ignition timing is possible.
  • the combustion can use controlled by spark ignition or auto-ignition, which then runs very fast and stable and the NOx level remains low due to the very fast and late reaction. Parallel to this, as a result of the high degree of ignitability of the mixture and / or the high flame propagation speed, the combustion can be very lean, which again considerably reduces the combustion temperatures.
  • ignitable fuels such as hydrogen or reformer gas.
  • H 2 - enriched gas is added to the gasoline.
  • the Brennyerfahren invention can. can be used for almost every type of fuel such as gasoline, diesel, etc.
  • the intermediates according to the claims 2 and 3 are formed during the upper charge alternation phase (LOT phase) by an undercut of the gas exchange valves, since then present in the compression phase, the intermediates very homogeneous in the combustion chamber.
  • ignition can be carried out either by a spark ignition, such as with a spark plug or by stopping the injection of additional fuel, followed by auto-ignition.
  • a spark ignition such as with a spark plug or by stopping the injection of additional fuel, followed by auto-ignition.
  • a further emission reduction is possible according to claim 6, characterized in that the fresh gas is at least partially mixed with exhaust gas. This may be, for example, an external exhaust gas recirculation.
  • the exhaust gas is formed in the combustion chamber at least partially with a high oxygen excess.
  • FIG. 1 shows a cylinder internal pressure curve for a first operating mode of an inventively operated. Internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows a cylinder internal pressure curve for a second operating mode of an internal combustion engine operated according to the invention.
  • Fig. 3 shows numerically calculated temperature and lambda curves
  • Fig. 1 shows a cylinder internal pressure curve for an inventively operated 4-stroke reciprocating internal combustion engine in a first mode. Shown is schematically a cylinder internal pressure curve 1 via 720 ° crankshaft. An internal cylinder pressure of the engine is plotted across the Y axis and the 720 ° crankshaft is plotted across the X axis.
  • LOT charge cycle dead center
  • ZOT upper ignition dead center
  • the combustion method according to the invention is provided for the 4-stroke reciprocating internal combustion engine with a combustion chamber, the volume of which is variable by a liftable piston and wherein a fuel such.
  • a fuel such as gasoline, diesel, etc. directly into the combustion chamber einbringbar (injectible or einblasbar) is.
  • the fuel should contain carbon atoms or include hydrocarbons.
  • the internal combustion engine has at least one Gas buildingeinlass- and a Gas crispauslassventil for a gas exchange and the combustion chamber has the upper charge change dead center (LOT) and the upper Zündtotddling (ZOT) each on a minimum volume.
  • the combustion process comprises the following process steps:
  • a pilot quantity of fuel (e) is introduced into the combustion chamber before introduction of the main quantity of fuel (x);
  • the main amount of fuel (x) during the compression phase (b) is introduced into the combustion chamber such that a complete ignition of the mixture of fresh gas and the intermediates is suppressed and other intermediates that need not necessarily be identical to those from the activation phase, are formed until a controlled ignition of the mixture and the other intermediates takes place (c).
  • Intermediates is understood to mean a fuel which, for. B. has a higher burning speed than the starting fuel.
  • This may be for example a mixture of fuel, partially oxidized hydrocarbons, formaldehyde and hydrogen peroxide.
  • One way of producing the intermediates is the so-called cold flame or cold combustion. This chemical process occurs in a temperature range between 700 K and 1000 K.
  • the combustion chamber is understood here to mean the space which comprises the displacement volume and the compression volume, the volumes being formed by a cylinder inner side, a piston head and a cylinder.
  • FIG. 2 shows a cylinder internal pressure curve for a 4-stroke reciprocating internal combustion engine operated according to the invention in a second operating mode.
  • the basic four-stroke operation of the reciprocating internal combustion engine speaks the one shown in Fig. 1.
  • the first fuel is introduced into the combustion chamber already in the LOT phase (h).
  • the temperatures of 700 K - 1000 K are also achieved in the combustion chamber in this second mode.
  • the intermediates in the subsequent compression phase (b) are particularly homogeneous in the combustion chamber.
  • a 6-stroke reciprocating internal combustion engine can be operated according to the invention.
  • FIG. 3 shows in a diagram simulation results on the influence of the continuous addition of fuel to the start of combustion.
  • the temperature in Kelvin and on the other the air / fuel ratio is plotted along the Y axis, and the time in milliseconds via the X axis.
  • the intermediates are formed. These are prone to rapid second conversion (main combustion), but by further addition of fuel, the onset of combustion may be delayed. As long as fuel is added, the main conversion (temperature increase to over 2500 K) is suppressed.
  • the intermediates are formed according to the second combustion process during the charge cycle OT phase by an undercut of the gas exchange valves.
  • the main amount of the fuel is preferably injected or injected during the introduction of fresh gas into the combustion chamber.
  • the ignition of the mixture in the combustion chamber can be effected by a spark ignition, for example with an ignition device, such as a spark plug.
  • the ignition of the mixture can be done by stopping the injection of the bulk of the fuel.
  • the fresh gas can advantageously be mixed at least partially with exhaust gas.
  • the combustion method according to the invention allows lean engine operation, which means that the exhaust gas is formed in the combustion chamber at least partially with an excess of oxygen.
  • the aim of the combustion process according to the invention is to delay the combustion by continuous addition of fuel ("refueling" of fuel) until the desired ignition point is reached, then the combustion can use controlled (by spark ignition or auto-ignition), which then runs very fast and the level of NOx remains low due to the very rapid and late reaction, and at the same time, due to the high level of ignitability of the mixture, the Run very lean combustion, which significantly reduces the combustion temperatures.
  • ignitable fuels such as hydrogen or reformer gas.
  • the combustion process according to the invention resolves the conflict of objectives, fuel consumption versus NOx emissions during the lean-burn process (Otto and Diesel) and thus the fulfillment of future emission regulations without any loss of fuel consumption. Furthermore, it is a worldwide usable lean burn process.
  • the inventive combustion process results in a significantly reduced effort and reduced costs for exhaust aftertreatment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

The invention relates to a combustion method, in particular for a four-stroke reciprocating engine comprising a combustion chamber, the volume of which can be modified by a reciprocating piston and fuel can be directly injected into the combustion chamber, at least one gas exchange inlet valve and a gas exchange outlet valve for a charge cycle being provided and the combustion chamber having a minimum volume at an upper charge-cycle dead-centre position (LOT) and at an upper ignition dead-centre position (ZOT). Said method comprises the following steps: introduction of an inlet gas into the combustion chamber (a) in an intake phase; introduction of a primary quantity of fuel (x) into the combustion chamber during the intake phase (a) and/or a compression phase (b); compression of the inlet gas and the fuel in the compression phase (b); ignition of a mixture of inlet gas and fuel formed in the combustion chamber (c); expansion and discharge of an exhaust gas formed by the combustion in an expansion phase (d), wherein a pilot quantity of fuel (e) is introduced into the combustion chamber before the primary quantity of fuel (x) is introduced; intermediate products of the pilot quantity of fuel are formed (f) and the primary quantity of fuel (x) is introduced into the combustion chamber during the compression phase (b) in such a way that the complete ignition of the mixture consisting of inlet gas and the intermediate products is suppressed and other intermediate products are formed until a controlled ignition of the mixture and other intermediate products takes place (c). The claimed combustion method fulfils the conflict of objectives of fuel consumption versus NOx emissions during lean combustion (spark-ignition and diesel) and thus future emission regulations, without fuel consumption losses.

Description

Brennverfahren für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine Combustion process for a reciprocating internal combustion engine
Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren, insbesondere für eine 4-Takt-Hub- kolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a combustion method, in particular for a 4-stroke reciprocating piston internal combustion engine having the features of the preamble of patent claim 1.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung werden oftmals homogene magere Kraftstoff/Luft-Gemische zur Selbstzündung gebracht, so dass hohe Wirkungsgrade und verbesserte Abgasemissionen erzielt werden. Bei solchen sog. HCCI- bzw. CAI- Brennkraftmaschinen, auch als Brennkraftmaschinen mit Raumzündverbrennung bekannt, wird in der Regel in der unteren Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet und selbst gezündet. Zu höheren Lasten hin treten durch die Selbstzündung steile Druckanstiege im Brennraum auf, welche zu einer Beeinträchtigung des Betriebs führen würden.In direct-injection internal combustion engines with auto-ignition homogeneous lean fuel / air mixtures are often brought to auto-ignition, so that high efficiencies and improved exhaust emissions are achieved. In such so-called. HCCI or CAI internal combustion engines, also known as internal combustion engines with Raumzündverbrennung, a lean basic mixture of air, fuel and retained exhaust gas is usually formed in the lower part load and ignited itself. To higher loads occur by the auto-ignition steep pressure increases in the combustion chamber, which would lead to an impairment of the operation.
Aus der deutschen Patentschrift DE 198 10 935 C2 ist beispielsweise ein Verfahren zum Betrieb einer nach dem 4-Takt-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein homogenes, mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet wird, welches nach einer Kompressionszündung verbrannt wird. Dabei wird zur Erweiterung des motorischen Betriebsbereiches mit Kompressionszündung eine Aktivierungsphase zwischengeschaltet. Während der Kompression des zurückgehaltenen Abgases wird eine Aktivierungskraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt und mit den restlichen Gemischanteilen im Brennraum möglichst homogen verteilt. Dem Gemisch wird hierdurch thermische Energie durch die Kompression zugeführt, so dass eine chemische Reaktion bzw. eine Zündung in der Nähe des oberen Ladungswechseltotpunkts eingeleitet wird. Über den Zeitpunkt und die Menge der Aktivierungseinspritzung kann der Zündzeitpunkt der Frischladung bei der Hauptverbrennung gesteuert werden.From the German patent DE 198 10 935 C2, for example, a method for operating a working according to the 4-stroke principle internal combustion engine is known in which a homogeneous, lean base mixture of air, fuel and retained exhaust gas is formed, which is burned after a compression ignition , This is to expand the engine operating range with compression ignition an activation phase interposed. During the compression of the retained exhaust gas, an activation fuel quantity is injected into the combustion chamber and distributed as homogeneously as possible with the remaining mixture components in the combustion chamber. As a result, thermal energy is supplied to the mixture through the compression so that a chemical reaction or ignition is initiated in the vicinity of the upper charge reversal dead point. By the timing and amount of the activation injection, the ignition timing of the fresh charge at the main combustion can be controlled.
Bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. bei sich verändernder Drehzahl, ist es mit dem gattungsgemäßen Brennverfahren sehr schwierig, über den Zeitpunkt und die Menge der Aktivierungseinspritzung den Zündzeitpunkt genau zu steuern.In a dynamic operation of the internal combustion engine, d. H. With changing speed, it is very difficult with the generic combustion method to control the timing of the ignition timing exactly about the time and the amount of activation injection.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennverfahren, insbesondere für eine 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem eine sehr präzise Steuerung des Zündzeitpunkts möglich ist.Object of the present invention is to show a combustion process, in particular for a 4-stroke reciprocating internal combustion engine, with a very precise control of the ignition timing is possible.
Diese Aufgabe wird durch den Verfahrensschritt mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Es konnte numerisch nachgewiesen werden, dass eine unkontrollierte Kettenreaktion (Selbstzündung der Zwischenprodukte des Kraftstoff/Luft-Gemisches) durch Gegenwart von Kraftstoffmolekülen gezielt unterdrückt und so die Verbrennung hinausgezögert und deren Beginn kontrolliert und gesteuert werden kann. Unter Zwischenprodukten wird ein Kraftstoff verstanden, der eine höhere Brenngeschwindigkeit als der Ausgangskraftstoff hat. Dies kann z. B. ein Gemisch aus Kraftstoff, Formaldehyd und Wasserstoffperoxyd sein. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Zwischenprodukte ist die so genannte kalte Flamme oder kalte Verbrennung. Dieser chemische Prozess tritt in einem Temperaturbereich zwischen 700 K und 1000 K auf. Erfindungsgemäß wird nun die Verbrennung solange durch kontinuierliche Zugabe von Kraftstoff hinausgezögert („Nachfüttern mit weiterem Kraftstoff') bis der gewünschte Zündzeitpunkt erreicht ist. Danach kann die Verbrennung kontrolliert durch Fremdzündung oder Selbstzündung einsetzen, die dann sehr schnell und stabil abläuft und das NOx-Niveau aufgrund der sehr schnellen und späten Reaktion niedrig bleibt. Parallel hierzu kann als Folge der hohen Zündwilligkeit des Gemisches und/oder der hohen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit die Verbrennung sehr mager ablaufen, was die Verbrennungstemperaturen nochmals erheblich senkt. Dass ein derartiger, erfin- dungsgemäßer Verbrennungsablauf zu sehr niedrigen NOx-Emissionen führt, belegen Ergebnisse bei einer Magerverbrennung mit zündwilligen Kraftstoffen, wie Wasserstoff oder Reformergas. Bei letzterem wird z.B. H2- angereichertes Gas dem Benzin zugemischt. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Brennyerfahren jedoch. für fast jede Art von Kraftstoff wie beispielsweise Benzin, Diesel, etc. eingesetzt werden. Zur Erzeugung von Zwischenprodukten ist es notwendig, einen Kraftstoff zu verwenden, der durch eine ausgeprägte Niedertemperaturkinetik charakterisiert ist. Dies ist bei höheren Kohlenwasserstoffen der Fall, weshalb Kraftstoffe wie z. B. Ethanol oder Erdgas für das erfindungsgemäße Verfahren eher nicht geeignet sind.This object is achieved by the method step with the features in the characterizing part of patent claim 1. It has been demonstrated numerically that an uncontrolled chain reaction (self-ignition of the intermediate products of the fuel / air mixture) can be purposefully suppressed by the presence of fuel molecules, thus delaying the combustion and controlling and controlling its onset. By intermediates is meant a fuel having a higher burning rate than the starting fuel. This can be z. B. be a mixture of fuel, formaldehyde and hydrogen peroxide. One way of producing the intermediates is the so-called cold flame or cold combustion. This chemical process occurs in a temperature range between 700 K and 1000 K. According to the invention Now the combustion is delayed by continuous addition of fuel ("Nachfüttern with additional fuel ') until the desired ignition point is reached. Thereafter, the combustion can use controlled by spark ignition or auto-ignition, which then runs very fast and stable and the NOx level remains low due to the very fast and late reaction. Parallel to this, as a result of the high degree of ignitability of the mixture and / or the high flame propagation speed, the combustion can be very lean, which again considerably reduces the combustion temperatures. The fact that such a combustion process according to the invention leads to very low NOx emissions is demonstrated by results in lean-burn combustion with ignitable fuels, such as hydrogen or reformer gas. In the latter example, H 2 - enriched gas is added to the gasoline. In principle, however, the Brennyerfahren invention can. can be used for almost every type of fuel such as gasoline, diesel, etc. For the production of intermediates, it is necessary to use a fuel which is characterized by a pronounced low-temperature kinetics. This is the case with higher hydrocarbons, which is why fuels such. As ethanol or natural gas are not suitable for the process according to the invention.
Bevorzugt werden die Zwischenprodukte gemäß der Patentansprüche 2 und 3 während der oberen Ladungswechseltotphase (LOT-Phase) durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile gebildet, da dann in der Kompressionsphase die Zwischenprodukte sehr homogen im Brennraum vorliegen.Preferably, the intermediates according to the claims 2 and 3 are formed during the upper charge alternation phase (LOT phase) by an undercut of the gas exchange valves, since then present in the compression phase, the intermediates very homogeneous in the combustion chamber.
Gemäß der Patentansprüche 4 und 5 kann eine Zündung entweder durch eine Fremdzündung, wie beispielsweise mit einer Zündkerze oder durch das Stoppen der Einspritzung von weiterem Kraftstoff, mit anschließender Selbstzündung erfolgen. Eine weitere Emissionssenkung ist gemäß Patentanspruch 6 dadurch möglich, dass das Frischgas zumindest teilweise mit Abgas gemischt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine externe Abgasrückführung handeln.According to the claims 4 and 5, ignition can be carried out either by a spark ignition, such as with a spark plug or by stopping the injection of additional fuel, followed by auto-ignition. A further emission reduction is possible according to claim 6, characterized in that the fresh gas is at least partially mixed with exhaust gas. This may be, for example, an external exhaust gas recirculation.
Neben einem stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine ist auch ein Magerbetrieb gemäß Patentanspruch 7 möglich. Hierfür wird das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem hohen Sauerstoffüberschuss gebildet.In addition to a stoichiometric operation of the internal combustion engine and a lean operation according to claim 7 is possible. For this purpose, the exhaust gas is formed in the combustion chamber at least partially with a high oxygen excess.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von 3 Figuren für zwei Betriebsarten näher erläutert.In the following the invention with reference to 3 figures for two modes is explained in more detail.
Fig. 1 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erste Betriebsart einer erfindungsgemäß betriebenen. Brennkraftmaschine.1 shows a cylinder internal pressure curve for a first operating mode of an inventively operated. Internal combustion engine.
Fig. 2 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine zweite Betriebsart einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine.2 shows a cylinder internal pressure curve for a second operating mode of an internal combustion engine operated according to the invention.
Fig. 3 zeigt numerisch berechnete Temperatur- und LambdaverläufeFig. 3 shows numerically calculated temperature and lambda curves
(Luft-/Kraftstoffverhältnis) für eine erfindungsgemäß beschriebene Zugabe von Kraftstoff („Nachfüttern mit weiterem Kraftstoff').(Air / fuel ratio) for an addition of fuel described in the invention ("further fuel refills").
Fig. 1 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erfindungsgemäß betriebene 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine in einer ersten Betriebsart. Dargestellt ist schematisch ein Zylinderinnendruckverlauf 1 über 720° Kurbelwelle. Ein Zylinderinnendruck der Brennkraftmaschine ist über die Y- Achse und die 720° Kurbelwelle sind über die X-Achse aufgetragen. Der erste gestrichelt dargestellte Druckanstieg, gebildet durch eine Gaswechsel- ventilunterschneidung, entspricht einem oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) eines Kolbens, der zweite Druckanstieg, in Richtung der X-Achse betrachtet, entspricht einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) des Kolbens.Fig. 1 shows a cylinder internal pressure curve for an inventively operated 4-stroke reciprocating internal combustion engine in a first mode. Shown is schematically a cylinder internal pressure curve 1 via 720 ° crankshaft. An internal cylinder pressure of the engine is plotted across the Y axis and the 720 ° crankshaft is plotted across the X axis. The first pressure increase shown in dashed lines, formed by a gas exchange valve undercutting, corresponds to an upper charge cycle dead center (LOT) of a piston, the second pressure increase, viewed in the direction of the X-axis, corresponds to an upper ignition dead center (ZOT) of the piston.
In einer weiteren Betriebsart der Brennkraftmaschine kann auch der erste Druckanstieg beispielsweise durch eine Gaswechselventilüberschneidung entfallen.In a further operating mode of the internal combustion engine and the first pressure increase can be omitted, for example, by a gas exchange valve overlap.
Bei einer Gaswechselventilunterschneidung sind die Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventile bei einer Lage des Kolbens nahe dem LOT geschlossen, bei einer Gaswechselventilüberschneidung sind die Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventile bei einer Lage des Kolbens nahe dem LOT geöffnet.In a Gaswechselventilunterschneidung the Gaswechseleinlass- and Gaswechselauslassventile are closed at a position of the piston near the LOT, in a gas exchange valve overlap, the Gaswechseleinlass- and Gaswechselauslassventile are open at a position of the piston near the LOT.
Das erfindungsgemäße Brennverfahren ist für die 4-Takt-Hubkolben-Brenn- kraftmaschine vorgesehen mit einem Brennraum, dessen Volumen von einem hubbeweglichen Kolben veränderbar ist und wobei ein Kraftstoff wie z. B. Benzin, Diesel, etc. direkt in den Brennraum einbringbar (einspritz- oder einblasbar) ist. Vorzugsweise soll der Kraftstoff Kohlenstoffatome enthalten, bzw. Kohlenwasserstoffe beinhalten. Die Brennkraftmaschine verfügt über zumindest ein Gaswechseleinlass- und ein Gaswechselauslassventil für einen Ladungswechsel und der Brennraum weist zum oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) und zu dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) jeweils ein minimales Volumen auf. Das Brennverfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:The combustion method according to the invention is provided for the 4-stroke reciprocating internal combustion engine with a combustion chamber, the volume of which is variable by a liftable piston and wherein a fuel such. As gasoline, diesel, etc. directly into the combustion chamber einbringbar (injectible or einblasbar) is. Preferably, the fuel should contain carbon atoms or include hydrocarbons. The internal combustion engine has at least one Gaswechseleinlass- and a Gaswechselauslassventil for a gas exchange and the combustion chamber has the upper charge change dead center (LOT) and the upper Zündtotpunkt (ZOT) each on a minimum volume. The combustion process comprises the following process steps:
- Einbringen eines Frischgases in einer Ansaugphase in den Brennraum (a);- introducing a fresh gas in an intake phase into the combustion chamber (a);
- Einbringen einer Hauptmenge eines Kraftstoffes (x) in den Brennraum während der Ansaugphase (a) und/oder einer Kompressionsphase (b);- introducing a main quantity of a fuel (x) into the combustion chamber during the intake phase (a) and / or a compression phase (b);
- Komprimieren des Frischgases und des Kraftstoffes in der Kompressionsphase (b); - Zünden eines im Brennraum gebildeten Gemisches aus Frischgas und Kraftstoff (c);- Compressing the fresh gas and the fuel in the compression phase (b); - igniting a mixture formed in the combustion chamber of fresh gas and fuel (c);
- Expandieren und Ausschieben eines durch eine Verbrennung gebildeten Abgases in einer Expansionsphase (d), wobeiExpanding and expelling an exhaust gas formed by a combustion in an expansion phase (d), wherein
- eine Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffes (x) in den Brennraum eingebracht wird;a pilot quantity of fuel (e) is introduced into the combustion chamber before introduction of the main quantity of fuel (x);
- Zwischenprodukte der Pilotmenge des Kraftstoffes (f) gebildet werden (Aktivierung),- intermediates of the pilot quantity of the fuel (f) are formed (activation),
- die Hauptmenge des Kraftstoffs (x) während der Kompressionsphase (b) derart in den Brennraum eingebracht wird, dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte, die nicht zwangsläufig identisch mit denen aus der Aktivierungsphase sein müssen, gebildet werden, bis eine kontrollierte Zündung des Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt (c).- The main amount of fuel (x) during the compression phase (b) is introduced into the combustion chamber such that a complete ignition of the mixture of fresh gas and the intermediates is suppressed and other intermediates that need not necessarily be identical to those from the activation phase, are formed until a controlled ignition of the mixture and the other intermediates takes place (c).
Unter Zwischenprodukten wird ein Kraftstoff verstanden, der z. B. eine höhere Brenngeschwindigkeit als der Ausgangskraftstoff hat. Dies kann beispielsweise ein Gemisch aus Kraftstoff, teiloxidierte Kohlenwasserstoffe, Formaldehyd und Wasserstoffperoxyd sein. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Zwischenprodukte ist die so genannte kalte Flamme oder kalte Verbrennung. Dieser chemische Prozess tritt in einem Temperaturbereich zwischen 700 K und 1000 K auf.Intermediates is understood to mean a fuel which, for. B. has a higher burning speed than the starting fuel. This may be for example a mixture of fuel, partially oxidized hydrocarbons, formaldehyde and hydrogen peroxide. One way of producing the intermediates is the so-called cold flame or cold combustion. This chemical process occurs in a temperature range between 700 K and 1000 K.
Unter Brennraum wird hier der Raum verstanden, der das Hubvolumen und das Kompressionsvolumen umfasst, wobei die Volumina von einer Zyliπder- kopfinnenseite, einem Kolbenboden sowie einem Zylinder gebildet werden.The combustion chamber is understood here to mean the space which comprises the displacement volume and the compression volume, the volumes being formed by a cylinder inner side, a piston head and a cylinder.
Fig. 2 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erfindungsgemäß betriebene 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine in einer zweiten Betriebsart. Der grundsätzliche Viertakt-Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine ent- spricht dem in Fig. 1 dargestellten. Im Unterschied zur ersten Betriebsart wird bei der zweiten Betriebsart der erste Kraftstoff schon in der LOT-Phase (h) in den Brennraum eingebracht. Nahe dem LOT werden auch bei dieser zweiten Betriebsart die Temperaturen von 700 K - 1000 K im Brennraum erreicht. In dieser zweiten Betriebsart liegen die Zwischenprodukte in der anschließenden Kompressionsphase (b) besonders homogen im Brennraum vor.FIG. 2 shows a cylinder internal pressure curve for a 4-stroke reciprocating internal combustion engine operated according to the invention in a second operating mode. The basic four-stroke operation of the reciprocating internal combustion engine speaks the one shown in Fig. 1. In contrast to the first operating mode, in the second operating mode the first fuel is introduced into the combustion chamber already in the LOT phase (h). Near the LOT, the temperatures of 700 K - 1000 K are also achieved in the combustion chamber in this second mode. In this second mode, the intermediates in the subsequent compression phase (b) are particularly homogeneous in the combustion chamber.
Erfindungsgemäß wird auch bei dieser zweiten Betriebsart vor dem ZOT weiterer Kraftstoff während der Kompression in den Brennraum eingespritzt (x), so dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte, die während der LOT-Phase (h) gebildet worden sind (Aktivierung), unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte von der Hauptmenge des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs gebildet werden, bjs eine kontrollierte (Fremd- oder Selbst-) Zündung des.Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt (c).According to the invention, in this second operating mode before the ZOT further fuel is injected into the combustion chamber during the compression (x), so that a complete ignition of the mixture of fresh gas and the intermediates formed during the LOT phase (h) (activation ) is suppressed and further intermediates are formed by the majority of the fuel introduced into the combustion chamber, bjs a controlled (external or self) ignition des.Gemisches and the other intermediates takes place (c).
Neben einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine kann beispielsweise auch eine 6-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine erfindungsgemäß betrieben werden.In addition to a 4-stroke reciprocating internal combustion engine, for example, a 6-stroke reciprocating internal combustion engine can be operated according to the invention.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm Simulationsergebnisse zum Einfluss der kontinuierlichen Zugabe von Kraftstoff auf den Verbrennungsbeginn. Über die Y- Achse ist zum einen die Temperatur in Kelvin und zum anderen das Luft- /Kraftstoffverhältnis aufgetragen, über die X-Achse die Zeit in Millisekunden. Während der ersten Temperaturerhöhung auf ca. 900 K werden die Zwischenprodukte gebildet. Diese neigen zu einer schnellen zweiten Umsetzung (Hauptverbrennung), aber durch eine weitere Zugabe von Kraftstoff kann der Verbrennungsbeginn hinausgezögert werden. Solange Kraftstoff zugegeben wird, wird die Hauptumsetzung (Temperaturanstieg auf über 2500 K) unterdrückt. Bevorzugt werden die Zwischenprodukte gemäß dem zweiten Brennverfahren während der Ladungswechsel-OT-Phase durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile gebildet. Weiter wird die Hauptmenge des Kraftstoffs bevorzugt während des Einbringens von Frischgas in den Brennraum eingespritzt oder eingeblasen. In einer ersten Variante kann die Zündung des Gemisches im Brennraum durch eine Fremdzündung erfolgen, beispielsweise mit einer Zündeinrichtung, wie einer Zündkerze. In einer weiten Variante kann die Zündung des Gemisches durch Stoppen der Einspritzung der Hauptmenge des Kraftstoffs erfolgen. Um die Abgasemissionen noch weiter zu senken kann in vorteilhafter Weise das Frischgas zumindest teilweise mit Abgas gemischt werden. Weiter erlaubt das erfindungsgemäße Brennverfahren mageren Motorenbetrieb, was bedeutet, dass das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem Sauerstoffüberschuss gebildet wird.FIG. 3 shows in a diagram simulation results on the influence of the continuous addition of fuel to the start of combustion. On the one hand, the temperature in Kelvin and on the other the air / fuel ratio is plotted along the Y axis, and the time in milliseconds via the X axis. During the first temperature increase to about 900 K, the intermediates are formed. These are prone to rapid second conversion (main combustion), but by further addition of fuel, the onset of combustion may be delayed. As long as fuel is added, the main conversion (temperature increase to over 2500 K) is suppressed. Preferably, the intermediates are formed according to the second combustion process during the charge cycle OT phase by an undercut of the gas exchange valves. Further, the main amount of the fuel is preferably injected or injected during the introduction of fresh gas into the combustion chamber. In a first variant, the ignition of the mixture in the combustion chamber can be effected by a spark ignition, for example with an ignition device, such as a spark plug. In a broad variant, the ignition of the mixture can be done by stopping the injection of the bulk of the fuel. In order to reduce the exhaust emissions even further, the fresh gas can advantageously be mixed at least partially with exhaust gas. Furthermore, the combustion method according to the invention allows lean engine operation, which means that the exhaust gas is formed in the combustion chamber at least partially with an excess of oxygen.
Bekannt ist, dass zur Erhöhung der Zündwilligkeit ein Gemisch vorkonditioniert (z. B. durch Druck, Temperatur, Gemischzusammensetzung) wird. Dies erhöht in gewünschter Weise die Selbstzündungsneigung und dadurch kommt es zu entsprechenden Kettenreaktionen, welche die Verbrennung einleiten. Dies geschieht aber bei den bekannten Brennverfahren, wie HCCI oder Schichtladebrennverfahren in unkontrollierter Weise und damit ergeben sich Grenzen bei der Erhöhung der Zündfähigkeit. Zwischenzeitlich konnte numerisch nachgewiesen werden, dass diese unkontrollierte Kettenreaktion (Selbstzündung) durch Gegenwart von Kraftstoffmolekülen gezielt unterdrückt und so die Verbrennung hinausgezögert und deren Beginn kontrolliert und gesteuert werden kann. Ziel des erfindungsgemäßen Brennverfahrens ist es, die Verbrennung solange durch kontinuierliche Zugabe von Kraftstoff herauszuzögern („Nachfüttern" von Kraftstoff), bis der gewünschte Zündzeitpunkt erreicht ist. Danach kann die Verbrennung kontrolliert einsetzen (durch Fremdzündung oder Selbstzündung), die dann sehr schnell abläuft und das NOx-Niveau aufgrund der sehr schnellen und späten Reaktion niedrig bleibt. Parallel hierzu kann als Folge der hohen Zündwilligkeit des Gemisches die Verbrennung sehr mager ablaufen, welches die Verbrennungstemperaturen erheblich senkt. Dass so ein Verbrennungsablauf zu sehr niedrigen NOx- Emissionen führt, belegen Ergebnisse bei einer Magerverbrennung mit zündwilligen Kraftstoffen, wie Wasserstoff oder Reformergas. Durch das erfindungsgemäße Brennverfahren wird der Zielkonflikt, Kraftstoffverbrauch versus NOx-Emissionen beim Magerbrennverfahren (Otto und Diesel) und damit die Erfüllung zukünftiger Emissionsvorschriften ohne Kraftstoffverbrauchseinbußen gelöst. Weiter handelt es sich um ein weltweit einsetzbares Magerbrennverfahren. Durch das erfindungsgemäße Brennverfahren ergibt sich ein deutlich reduzierter Aufwand sowie reduzierte Kosten für eine Abgasnachbehandlung. It is known that to increase the ignitability, a mixture is preconditioned (eg by pressure, temperature, mixture composition). This desirably increases the autoignition tendency and thus leads to corresponding chain reactions which initiate the combustion. However, this happens in the known combustion processes, such as HCCI or Schichtladebrennverfahren in an uncontrolled manner and thus there are limits in increasing the ignitability. In the meantime, it has been possible to prove numerically that this uncontrolled chain reaction (self-ignition) is deliberately suppressed by the presence of fuel molecules, thus delaying combustion and allowing its start to be controlled and controlled. The aim of the combustion process according to the invention is to delay the combustion by continuous addition of fuel ("refueling" of fuel) until the desired ignition point is reached, then the combustion can use controlled (by spark ignition or auto-ignition), which then runs very fast and the level of NOx remains low due to the very rapid and late reaction, and at the same time, due to the high level of ignitability of the mixture, the Run very lean combustion, which significantly reduces the combustion temperatures. The fact that such a combustion process leads to very low NOx emissions is demonstrated by results in lean-burn combustion with ignitable fuels such as hydrogen or reformer gas. The combustion process according to the invention resolves the conflict of objectives, fuel consumption versus NOx emissions during the lean-burn process (Otto and Diesel) and thus the fulfillment of future emission regulations without any loss of fuel consumption. Furthermore, it is a worldwide usable lean burn process. The inventive combustion process results in a significantly reduced effort and reduced costs for exhaust aftertreatment.

Claims

Brennverfahren für eine Hubkolben-BrennkraftmaschinePatentansprüche Combustion process for a reciprocating internal combustion engine Patent claims
1. Brennverfahren, insbesondere jfür eine Viertakt-Hubkolben- Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, dessen Volumen von einem hubbeweglichen Kolben veränderbar ist und wobei ein Kraftstoff direkt in den Brennraum einbringbar ist, wobei zumindest ein Gaswechsel- einlass- und ein Gaswechselauslassventil für einen Ladungswechsel vorgesehen ist und wobei der Brennraum zu einem oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) und zu einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) ein minimales Volumen aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten:1. combustion method, in particular jfür a four-stroke reciprocating internal combustion engine with a combustion chamber whose volume is variable by a liftable piston and wherein a fuel directly into the combustion chamber can be introduced, wherein at least one gas exchange inlet and a gas exchange outlet valve is provided for a change of charge and wherein the combustion chamber has a minimum volume at an upper charge cycle dead center (LOT) and an upper ignition dead center (ZOT), with the following process steps:
- Einbringen eines Frischgases in einer Ansaugphase in den Brennraum (a);- introducing a fresh gas in an intake phase into the combustion chamber (a);
- Einbringen einer Hauptmenge eines Kraftstoffes (x) in den Brennraum während der Ansaugphase (a) und/oder einer Kompressionsphase (b);- introducing a main quantity of a fuel (x) into the combustion chamber during the intake phase (a) and / or a compression phase (b);
- Komprimieren des Frischgases und des Kraftstoffes in der Kompressionsphase (b);- Compressing the fresh gas and the fuel in the compression phase (b);
- Zünden eines im Brennraum gebildeten Gemisches aus Frischgas und Kraftstoff (c);- igniting a mixture formed in the combustion chamber of fresh gas and fuel (c);
- Expandieren und Ausschieben eines durch eine Verbrennung gebildeten Abgases in einer Expansionsphase (d); gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritte:Expanding and expelling exhaust gas formed by combustion in an expansion phase (d); characterized by the following method steps:
- Einbringen einer Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffes (x);- introducing a pilot amount of fuel (e) before introducing the main amount of fuel (x);
- Bilden von Zwischenprodukten der Pilotmenge des Kraftstoffes (f);- forming intermediate products of the pilot amount of the fuel (f);
- Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffs (x) während der Kompressionsphase (b) derart, dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte gebildet werden, bis eine kontrollierte Zündung des Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt- Introduce the main amount of the fuel (x) during the compression phase (b) such that a complete ignition of the mixture of fresh gas and the intermediates is suppressed and further intermediates are formed until a controlled ignition of the mixture and the other intermediates takes place
(C).(C).
2. Brennverfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach der Expansionsphase (h) in einer LOT-Phase (h) ein Druck- und Temperaturanstieg im Brennraum durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile erzeugt wird.2. combustion method according to claim 1, characterized in that after the expansion phase (h) in a LOT phase (h) a pressure and temperature increase in the combustion chamber is generated by an undercut of the gas exchange valves.
3. Brennverfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem LOT in den Brennraum eingespritzt wird und das Bilden der Zwischenprodukte (f) in der LOT-Phase (h) erfolgt.3. combustion method according to claim 2, characterized in that the pilot quantity of fuel (s) is injected before the LOT into the combustion chamber and the formation of the intermediates (f) in the LOT phase (h) takes place.
4. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Gemisches durch eine Fremdzündung erfolgt.4. combustion method according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the ignition of the mixture takes place by a spark ignition.
5. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Gemisches durch Stoppen der Einspritzung des weiteren Kraftstoffs erfolgt. 5. combustion method according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the ignition of the mixture takes place by stopping the injection of the further fuel.
6. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas zumindest teilweise mit dem Abgas gemischt wird.6. combustion method according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the fresh gas is at least partially mixed with the exhaust gas.
7. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem Sauerstoffüberschuss gebildet wird. 7. combustion method according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the exhaust gas is formed in the combustion chamber, at least partially with an excess of oxygen.
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Inventor name: HENSEL, SEBASTIAN

Inventor name: BOULOUCHOS, KONSTANTINOS

Inventor name: PETERS, NORBERT

Inventor name: ROEHL, OLAF

Inventor name: VELJI, AMIN

Inventor name: SCHULZ, CHRISTOF

Inventor name: HUEBNER, WALTER

Inventor name: KOCK, BORIS

Inventor name: SPICHER, ULRICH

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