DE10153629B4

DE10153629B4 - Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff

Info

Publication number: DE10153629B4
Application number: DE10153629.1A
Authority: DE
Inventors: Volker Holzgrefe; Guenther Hohl; Michael Huebel; Juergen Stein; Norbert Keim
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: WO2003040538A1; DE10153629A1

Abstract

Verfahren zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (2) einer Brennkraftmaschine mit einem Brennstoffeinspritzventil (12), das Brennstoff während eines Einspritztakts direkt in den Brennraum (2) einspritzt, der von einer Zylinderwandung (3) gebildet wird, in der ein Kolben (5) geführt ist, wobei das Brennstoffeinspritzventil (12) in dem Brennraum (2) eine Gemischwolke (13) erzeugt, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Öffnen des Brennstoffeinspritzventils (12) und Einspritzen einer ersten Gemischwolke (13a) in einem ersten Einspritzintervall;
- Schließen des Brennstoffeinspritzventils (12); erneutes Öffnen des Brennstoffeinspritzventils (12) und Einspritzen zumindest einer zweiten Gemischwolke (13b; 13c) in zumindest einem weiteren Einspritzintervall noch während des gleichen Einspritztakts der Brennkraftmaschine, wobei die Einspritzintervalle so schnell in kurzen Zeitabständen ausgeführt werden, dass die Gemischwolke 13, die sich aus der ersten und zweiten Gemischwolke (13a, 13b, 13c) zusammensetzt, in ihren Randbereichen (16) aufgeweitet wird,
wobei das Zünden der Gemischwolke (13) mittels einer Zündkerze (12) geschieht, welche in einem First (7) des Brennraums (2) angeordnet ist,
und wobei das Einspritzen der Gemischwolke (13) mittels des Brennstoffeinspritzventils (12) geschieht, welches zwischen einer Zylinderwandung (3) und einem Zylinderkopf (4) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE 198 27 219 A1 ist ein Brennstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, welches einen Injektor mit einer Brennstoffstrahleinstellplatte aufweist, welche erste Düsenlöcher besitzt, die entlang eines ersten Kreises angeordnet sind, sowie zweite Düsenlöcher, die entlang eines zweiten Kreises angeordnet sind. Der zweite Kreis hat einen Durchmesser, der größer als derjenige des ersten Kreises ist. Die Kreise sind dabei koaxial zu einer Mittelachse der Einstellplatte angeordnet. Jede Lochachse der zweiten Düsenlöcher bildet einen spitzen Winkel mit einer Referenzebene, die senkrecht zur Mittelachse des Ventilkörpers ist. Der Winkel ist kleiner als derjenige, der durch jede Lochachse der ersten Düsenlöcher mit der Referenzebene gebildet wird. Daher können Brennstoffzerstäubungen, die durch die ersten Düsenlöcher eingespritzt werden, weg von den Brennstoffzerstäubungen gerichtet werden, die durch die zweiten Düsenlöcher eingespritzt werden. Als ein Ergebnis stören die Brennstoffzerstäubungen, die durch die ersten Düsenlöcher eingespritzt werden, nicht die Brennstoffzerstäubungen, die durch die zweiten Düsenlöcher eingespritzt werden, was es ermöglicht, eingespritzten Brennstoff geeignet zu zerstäuben.
Aus der DE 196 42 653 C1 ist ein Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Brennstoff-/Luftgemisches bekannt. In den Zylindern von direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen ist ein zündfähiges Brennstoff-/Luftgemisch bildbar, indem in jeden von einem Kolben begrenzten Brennraum mittels eines Injektors bei Freigabe einer Düsenöffnung durch Abheben eines Ventilgliedes von einem die Düsenöffnung umfassenden Ventilsitz Brennstoff eingespritzt wird. Um unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere im Schichtladungsbetrieb, eine verbrauchs- und emissionsoptimierte innere Gemischbildung in jedem Betriebspunkt des gesamten Kennfeldes zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß der Öffnungshub des Ventilgliedes und die Einspritzzeit variabel einstellbar sind.
Aus der DE 198 04 463 A1 ist ein Brennstoffeinspritzsystem für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen bekannt, welches mit einem Einspritzventil, das Brennstoff in einen von einer Kolben-/Zylinderanordnung gebildeten Brennraum einspritzt, und mit einer in den Brennraum ragenden Zündkerze versehen ist. Das Einspritzventil ist mit wenigstens einer Reihe über den Umfang der Einspritzdüse verteilt angeordneten Einspritzlöchern versehen. Durch eine gezielte Einspritzung von Brennstoff über die Einspritzlöcher wird ein strahlgeführtes Brennverfahren durch Bildung einer Gemischwolke realisiert, wobei wenigstens ein Strahl zur Zündung in Richtung auf die Zündkerze gerichtet ist. Weitere Strahlen sind vorgesehen, durch die eine wenigstens annähernd geschlossene bzw. zusammenhängende Gemischwolke gebildet wird.
Nachteilig an den aus den obengenannten Druckschriften bekannten Verfahren zur Gemischbildung bzw. Brennstoffeinspritzsystemen sind insbesondere die mangelnde Homogenität der Gemischwolke sowie das Problem, das zündfähige Gemisch in den Bereich der Funkenstrecke der Zündkerze zu transportieren. Um eine emissionsarme, brennstoffsparende Verbrennung zu ermöglichen, müssen in diesen Fällen komplizierte Brennraumgeometrien, Drallventile oder Verwirbelungsmechanismen benutzt werden, um einerseits den Brennraum mit dem Brennstoff-/Luftgemisch zu füllen und andererseits das zündfähige Gemisch zur Zündkerze zu führen.
Dabei wird zumeist die Zündkerze direkt angespritzt. Dies führt zu starker Verrußung der Zündkerze und häufigen Thermoschocks, wodurch die Zündkerze eine kürzere Lebensdauer aufweist.
Nachteilig an dem aus der DE 196 42 653 C1 bekannten Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Brennstoff-/ Luftgemisches ist zudem die Unmöglichkeit, insbesondere im Schichtladungsbetrieb kleine Brennstoffmengen präzise zuzumessen, da die Zeiten für das Öffnen bzw. Schließen des Brennstoffeinspritzventils nicht genau genug gesteuert werden können.
Nachteilig ist weiterhin, daß komplizierte Brennraumgeometrien sowie Brennstoffeinspritzventile mit Drallaufbereitung schwer herstellbar und kostenaufwendig in der Produktion sind.
Die DE 100 12 970 A1 zeigt ein Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff-Luftgemischs in einen Brennraum einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit einer einen Verschlusskörper aufweisenden Einspritzdüse, über die Kraftstoff in mindestens zwei Teilmengen in den Brennraum eingebracht wird.
Die DE 196 02 065 C2 zeigt ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, bei dem während einer jeweiligen Kompressionshubphase zunächst eine Hauptkraftstoffmenge und danach eine Zündkraftstoffmenge direkt in einen Brennraum eingespeist werden.
Die FR 1 245 520 A zeigt ein Verfahren, das den Brennstoffentzündvorgang in Motoren optimieren soll.
Die DE 195 35 882 A1 zeigt eine Einspritzdüse in der Kraftstoff durch Vorwärmung in einer Heizkammer bei Austreten aus der Düse sofort verdampft. Die Heizkammer wird im Brennraumbereich aufgeheizt.
Die DE 38 19 344 A1 lehrt ein Kraftstoffzerstäubungsventil mit einem Gehäuse, und einem Schieber, der innerhalb des Gehäuses axial verschiebbar ist. Ein vorbestimmter Zwischenraum befindet sich zwischen den Oberflächen, die die Erregerwicklung begrenzen, und den Oberflächen des Ringraums, um Kraftstoffdurchlasskanäle zu bilden, die einen Teil der Kraftstoffleitungen bilden und es dem Kraftstoff ermöglichen, vollständig die die Erregerwicklung begrenzenden Oberflächen zu umspülen.
Die DE 100 14 553 A1 lehrt ein Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einem Injektor, welcher Kraftstoff in mindestens zwei Teilmengen in einen innerhalb eines Zylinders von einem Kolben begrenzten Brennraum einspritzt, dem über einen Einlasskanal Verbrennungsluft zugeführt wird. Der Injektor wird während eines Einspritzvorganges in einer vorgegebenen Taktfolge vielfach geöffnet und geschlossen.
Keines der Dokumente zeigt, dass die Einspritzintervalle so schnell in kurzen Zeitabständen ausgeführt werden, dass die Gemischwolke in den Randbereichen aufgeweitet wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch mehrere, zumindest aber zwei Einspritzphasen hintereinander in beliebig wählbaren Intervallen eine Gemischwolke gebildet werden kann, die den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine zum Einspritzzeitpunkt optimal angepaßt ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens zum Einspritzen von Brennstoff möglich.
Vorteilhafterweise sind die Einspritzphasen jeweils gleich lang, um eine Gemischwolke mit fetten und mageren Bereichen zu bilden.
Von Vorteil ist außerdem, daß die Intervalle zwischen den einzelnen Einspritzphasen beliebig wählbar, vorzugsweise gleich lang sein können, so daß die Gemischwolke in ihrer Form und Penetrationslänge beliebig verformbar ist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzsystem mit einem zum Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten Brennstoffeinspritzventil,
2A-D stark schematisierte Darstellungen von Gemischwolken, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Brennraum eingespritzt werden, und
3 eine schematische Schnittdarstellung eines zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Brennstoffeinspritzventils.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzsystem, welches zur Anwendung des weiter unten beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Das Brennstoffeinspritzsystem 1 weist einen Brennraum 2 auf, welcher durch eine Zylinderwandung 3, einen Zylinderkopf 4 sowie einen Kolben 5 begrenzt wird. Im Kolben 5 ist eine Brennraummulde 6 ausgebildet. In einem First 7 des Brennraums 2 ist eine Zündkerze 8 mit zwei Elektroden 15 z. B. zentral angeordnet. Ein Einlaßventil 9 und ein Auslaßventil 10 sind an Firstschrägen 11 des Brennraums 2 angedeutet. Ein seitlich zwischen der Zylinderwandung 3 und dem Zylinderkopf 4 angeordnetes Brennstoffeinspritzventil 12 spritzt eine kegelförmige Gemischwolke 13 in den Brennraum 2 ein. Die Geometrie der Brennraummulde 6 sowie die Form der Gemischwolke 13 bestimmen den Weg der Gemischwolke 13 in den Bereich einer Funkenstrecke 14, welche sich zwischen den Elektroden 15 der Zündkerze 8 erstreckt. Die Gemischwolke 13 wird durch den elektrischen Funken der Zündkerze 8 gezündet.
Die Gemischwolke 13 ist in herkömmlichen Brennstoffeinspritzsystemen 1 bedingt durch das Einspritzverhalten der Brennstoffeinspritzventile 12 nur bedingt stöchiometrisch. Die Strahlfront, also der Bereich der Gemischwolke 13, der am weitesten vom Brennstoffeinspritzventil 12 entfernt ist und zeitlich als erstes eingespritzt worden ist, ist durch die größte Tröpfchengröße im Spray bestimmt, während das Strahlende, also der Bereich der Gemischwolke 13, der dem Brennstoffeinspritzventil 12 am nächsten ist und zeitlich zuletzt eingespritzt worden ist, von den kleinsten Tröpfchen bestimmt ist. Die Verteilung des Brennstoffes zwischen diesen beiden Bereichen ist nicht derartig, daß ein einheitliches, stöchiometrisches Gemisch entstehen kann. Einerseits enthält das Gemisch gaußverteilt deutlich mehr mittelgroße Tröpfchen als große oder kleine, andererseits können auch Änderungen im Massenfluß wie z. B. beim Öffnen und Schließen des Brennstoffeinspritzventils 12 und strömungsdynamische Phänomene Auswirkungen auf die Stöchiometrie der Gemischwolke 13 haben.
Damit die oben aufgeführten Nachteile der Gemischwolke 13 behoben werden können, ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum 2 vorgesehen, welches die Form und die Stöchiometrie der Gemischwolke 13 so beeinflußt, daß ein optimaler Verbrennungsprozeß stattfinden kann.
Dabei ist das Brennstoffeinspritzventil 12 so ansteuerbar, daß eine von dem Brennstoffeinspritzventil 12 in den Brennraum 2 der Brennkraftmaschine eingespritzte Gemischwolke 13 an den jeweils aktuellen Betriebszustand, beispielsweise Vollast- oder Teillastbetrieb, und an die Stellung des Kolbens 5 angepaßt werden kann. Insbesondere ist die Penetration der Gemischwolke 13 sowie ihre Stöchiometrie gezielt beeinflußbar, indem vor dem Zündvorgang mehrere, zumindest zwei, im Ausführungsbeispiel drei Gemischwolken 13a, 13b und 13c durch zumindest zwei, im Ausführungsbeispiel drei, voneinander separierte Einspritzintervalle erzeugt werden. Die Gemischwolken 13a, 13b und 13c durchdringen sich dabei teilweise oder beeinflussen sich gegenseitig so, daß die Penetration, die Tröpfchengröße und die Form der resultierenden Gemischwolke 13 auf den Betriebszustand abstimmbar sind.
Die 2A bis 2D zeigen dabei jeweils eine stark schematisierte Gemischwolke 13, welche aus drei einzelnen Gemischwolken 13a, 13b und 13c besteht. Die einzelnen Gemischwolken 13a, 13b und 13c werden dabei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Brennraum 2 eingespritzt, wobei die Einspritzintervalle und die dazwischenliegenden Intervalle jeweils eine unterschiedliche Dauer aufweisen können.
In 2A ist der einfachste Fall einer in drei Einspritzphasen eingespritzten Gemischwolke 13 dargestellt. Dabei dauern die Einspritzintervalle jeweils gleich lange und sind durch ebenfalls gleich lange Intervalle voneinander getrennt. Dadurch ergeben sich drei separate Gemischwolken 13a, 13b und 13c, die sich gegenseitig nicht durchdringen oder überlappen. Dadurch kann eine resultierende Gemischwolke 13 erzeugt werden, die insbesondere bei strahlgeführten Brennverfahren von Vorteil ist, da die einzelnen Gemischwolken 13a, 13b und 13c getrennt voneinander verwirbelt werden können.
Soll eine Gemischwolke 13 mit einer fetteren Strahlfront erzeugt werden, so wird, wie in 2B dargestellt, die erste Gemischwolke 13a, welche sich räumlich am stärksten ausdehnt, mit einem verlängerten Einspritzintervall und einem kürzeren zweiten Einspritzintervall in den Brennraum 2 eingespritzt. Eine derartig aufgebaute Gemischwolke 13 hat eine große Penetrationslänge und eine fette Strahlfront. Alternativ kann durch ein sehr kurzes erstes Einspritzintervall auch eine sehr magere Strahlfront erzeugt werden.
Zur Erzeugung einer Gemischwolke 13 mit einer geringeren Penetrationslänge empfiehlt es sich, die Einspritzintervalle schnell aufeinander folgen zu lassen, wie in 2C dargestellt, damit sich die einzelnen Gemischwolken 13a, 13b und 13c teilweise überlappen. Dadurch kann beispielsweise eine unerwünschte Benetzung des Kolbens 5 bei einer späten Einspritzung vermieden werden.
Werden die Einspritzintervalle, wie in 2D dargestellt, noch schneller und in noch kürzeren Zeitabständen hintereinander ausgeführt, wird die Gemischwolke 13 in Randbereichen 16 aufgeweitet, so daß die Gemischwolke 13 insgesamt verformt wird. Dadurch kann sowohl die Penetration als auch die Stöchiometrie der Gemischwolke 13 beeinflußt werden.
Die unterschiedliche Penetration der Gemischwolken 13a, 13b und 13c kann auch durch eine Anwärmung des Brennstoffs, während dieser das Brennstoffeinspritzventil 12 durchströmt, erfolgen. Durch die Erwärmung des Brennstoffs steigt die Verdampfungsrate an, was sich günstig auf die Gemischbildung auswirkt. Die Anwärmung kann dabei beispielsweise durch die Abwärme eines Aktors 17 des Brennstoffeinspritzventils 12, der z. B. als piezoelektrischer Aktor 17 ausgebildet sein kann, erfolgen. In der nachfolgend beschriebenen 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 12 dargestellt, welches sich für die erwähnte Aufheizung des Brennstoffs eignet.
3 zeigt dabei in einer auszugsweisen Schnittdarstellung ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 12, welches über einen bereits erwähnten piezoelektrischen Aktor 17 zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 12 verfügt. Der piezoelektrische Aktor 17 ist dabei luftumfaßt und stützt sich einerseits an einem ersten Gehäusebauteil 18 und andererseits an einer Schulter 19 einer Ventilnadel 20 ab. Die Ventilnadel 20 steht mit einer Ventilschließgruppe 21 in Wirkverbindung, auf welche in diesem Zusammenhang nicht näher eingegangen werden muß. Die Ventilnadel 20 wird durch eine Feder 22 so beaufschlagt, daß das Brennstoffeinspritzventil 12 im Ruhezustand des piezoelektrischen Aktors 17 in geschlossenem Zustand gehalten wird. Wird der piezoelektrische Aktor 17 durch eine elektrische Spannung erregt, dehnt er sich entgegen der Kraft der Feder 22 aus, wodurch die Ventilnadel 20 in einer Öffnungsrichtung bewegt und das Brennstoffeinspritzventil 12 geöffnet wird.
Der Brennstoff wird dem Brennstoffeinspritzventil 12 dabei beispielsweise zentral durch eine Brennstoffzufuhr 23 im ersten Gehäusebauteil 18 zugeleitet und umströmt ein Aktorgehäuse 24, welches in einem zweiten Gehäusebauteil 25 angeordnet ist. Der Aktor 17, welcher sich durch die schnellwechselnden Spannungen während des Betriebs erwärmt, führt seine Abwärme an das Aktorgehäuse 24 ab, welches wiederum von dem Brennstoff zumindest teilweise umströmt wird, so daß die Wärme an den Brennstoff abgegeben wird.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und für Brennstoffeinspritzventile 12 beliebiger Bauweise in verschiedenen Brennstoffeinspritzsystemen 1 anwendbar.

Claims

Verfahren zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (2) einer Brennkraftmaschine mit einem Brennstoffeinspritzventil (12), das Brennstoff während eines Einspritztakts direkt in den Brennraum (2) einspritzt, der von einer Zylinderwandung (3) gebildet wird, in der ein Kolben (5) geführt ist, wobei das Brennstoffeinspritzventil (12) in dem Brennraum (2) eine Gemischwolke (13) erzeugt, mit folgenden Verfahrensschritten: - Öffnen des Brennstoffeinspritzventils (12) und Einspritzen einer ersten Gemischwolke (13a) in einem ersten Einspritzintervall; - Schließen des Brennstoffeinspritzventils (12); erneutes Öffnen des Brennstoffeinspritzventils (12) und Einspritzen zumindest einer zweiten Gemischwolke (13b; 13c) in zumindest einem weiteren Einspritzintervall noch während des gleichen Einspritztakts der Brennkraftmaschine, wobei die Einspritzintervalle so schnell in kurzen Zeitabständen ausgeführt werden, dass die Gemischwolke 13, die sich aus der ersten und zweiten Gemischwolke (13a, 13b, 13c) zusammensetzt, in ihren Randbereichen (16) aufgeweitet wird, wobei das Zünden der Gemischwolke (13) mittels einer Zündkerze (12) geschieht, welche in einem First (7) des Brennraums (2) angeordnet ist, und wobei das Einspritzen der Gemischwolke (13) mittels des Brennstoffeinspritzventils (12) geschieht, welches zwischen einer Zylinderwandung (3) und einem Zylinderkopf (4) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervalle zwischen den Einspritzintervallen gleich lang sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzintervalle gleich lang sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die während der Einspritzintervalle eingespritzten Gemischwolken (13a; 13b; 13c) überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Einspritzintervalle herrschenden Brennstoffdrücke in dem Brennstoffeinspritzventil (12) unterschiedlich hoch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in dem Brennstoffeinspritzventil (12) vor dem Einspritzen erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erwärmung des Brennstoffs die Abwärme eines Aktors (17) des Brennstoffeinspritzventils (12) genutzt wird.