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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Vorrichtungen zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff für Brennkraftmaschinen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2008 044 244 A1 eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum bekannt, wobei der Brennraum zwei Kraftstoff-Einlassöffnungen aufweist, welche jeweils durch ein Einlassventil verschließbar sind. Die Brennkraftmaschine weist ferner eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung auf, die in Zuordnung zu dem wenigstens einen Brennraum ein erstes und ein separates zweites Einspritzventil zum dosierten Einspritzen von Kraftstoff in mindestens einen Ansaugkanal des Brennraums aufweist. Die Einspritzventile spritzen den Kraftstoff dabei zerstäubt in Form von Spraykegeln in Richtung der Einlassventile.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Brennkraftmaschine in ihrer Start- und Warmlaufphase eine reduzierte Abgasemission aufweist. Dies wird durch eine Kombination der zwei separaten Einspritzventile mit den zwei separaten Zündkerzen erzielt. Die Verwendung der zwei separaten Zündkerzen führt dazu, dass das mittels der zwei Einspritzventile durch die Einlassventile in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffgemisch an zwei verschiedenen Entflammungspunkten entzündet wird, wodurch eine schnellere und stabilere Durchbrennung des Kraftstoffgemischs im Brennraum erzielt wird. Auf diese Weise werden Mängel im Verbrennungsverlauf, Zündaussetzer oder eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffgemischs vermieden und eine Reduktion der Rohabgase erzielt. Insbesondere in der Start- und Warmlaufphase, d. h. bei einem kalten, noch nicht (vollständig) konvertierenden Katalysator führt dies zu einer Verringerung der Abgasemissionen am Katalysatorausgang. Die auf diese Weise verbesserte Entflammung und Durchbrennung des Kraftstoffgemischs im Brennraum führt somit zu einer höheren Verbrennungsstabilität und ferner über ein späteres Zündungs-Timing zu einer erhöhten Temperatur im Brennraum zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils und somit auch zu heißeren Rohabgasen. Hierdurch wird in der Start- und Warmlaufphase der Katalysator schneller aufgewärmt und erreicht schneller die Anspringtemperatur, ab welcher der Katalysator effizient arbeitet. Dies führt ebenfalls zu einer Reduktion der Abgasemissionen. Die Durchbrennung wird ferner durch die Verwendung von zwei separaten Einspritzventilen begünstigt, da jedes Einspritzventil nur eine verminderte Durchflussmenge von Kraftstoff einzuspritzen braucht und zugleich mehr Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Spraykegel ermöglicht, wodurch eine geringere Spraydichte erzielt wird, d. h. dass sich die charakteristische Tröpfchengröße, insbesondere der Sauter-Durchmesser, des zerstäubten Kraftstoffs vorteilhafterweise verringert. Durch die Kombination von zwei separaten Einspritzventilen und zwei separaten Zündkerzen und folglich deren Vorteilen wird das Brennverhalten im Brennraum insgesamt erheblich verbessert und es fallen weniger Rohabgase. Vorteilhafterweise kann aufgrund der Rohabgasreduktion der Katalysator kleiner dimensioniert und ein Teil der für den Katalysator benötigten Edelmetalle eingespart werden. Die verbesserte Durchbrennung und die hierdurch erzielte höhere Laufruhe ermöglicht darüberhinaus eine geringere Leerlaufdrehzahl, welche wiederum die Treibhausgasemissionen reduziert. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise einen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Automobil. Die Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise mehr als einen Zylinder, wobei jeder der Zylinder einen Brennraum mit zwei Zündkerzen und zwei Einlassventilen umfasst, wobei jedem Einlassventil jeweils ein separates Einspritzventil zugeordnet ist. Die Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff umfasst insbesondere einen Zylinderkopf der Brennkraftanlage.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Zündkerze im Brennraum benachbart zum ersten Einspritzventil angeordnet ist und dass die zweite Zündkerze im Brennraum benachbart zum zweiten Einspritzventil angeordnet ist, so dass in vorteilhafter Weise das durch das erste Einspritzventil in den Brennraum gelangende Kraftstoffgemisch mittels der ersten Zündkerze und das durch das zweite Einspritzventil in den Brennraum gelangende Kraftstoffgemisch mittels der zweiten Zündkerze unmittelbar zu entzünden ist, so dass eine gleichmäßig und kontinuierlich vom Zylinderkopf in Richtung Kolben wandernde Flammenfront erzielt wird. Auf diese Weise wird eine sichere Entzündung, sowie eine stabile und gleichmäßige Durchbrennung des Brennraums gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Zündkerze derart im Brennraum angeordnet ist, dass ein vom ersten Einspritzventil durch das erste Einlassventil in den Brennraum eingespritzter Kraftstoff im Wesentlichen durch die erste Zündkerze entzündet wird, und dass die zweite Zündkerze derart im Brennraum angeordnet ist, dass ein vom zweiten Einspritzventil durch das zweite Einlassventil in den Brennraum eingespritzter Kraftstoff im Wesentlichen durch die zweite Zündkerze entzündet wird. Auf diese Weise wird der Brennraum im Wesentlichen in zwei Hälften geteilt, wobei das erste Einspritzventil, das erste Einlassventil und die erste Zündkerze für die Verbrennung in der einen Hälfte und das zweite Einspritzventil, das zweite Einlassventil und die zweite Zündkerze für die Verbrennung in der anderen Hälfte vorgesehen sind. In vorteilhafter Weise wird hierdurch die Verbrennung auf zwei kleinere Teilverbrennungen heruntergebrochen, wodurch sich das Durchbrennverhalten insbesondere in großvolumigen Brennräumen optimieren lässt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Einspritzventil in einem ersten Ansaugkanal angeordnet ist, welches durch die erste Ansaugöffnung in den Brennraum mündet, und dass das zweite Einspritzventil in einem zweiten Ansaugkanal angeordnet ist, welches durch die zweite Ansaugöffnung in den Brennraum mündet. In vorteilhafter Weise lässt sich somit der Spraykegel jedes Einspritzventils in einfacher Weise auf das jeweilige Ansaugkanal, sowie die jeweilige Einlassöffnung anpassen, so dass einerseits eine Benetzung der Außenwandungen der Ansaugkanale, als auch eine Benetzung einer Trennwand zwischen der ersten und zweiten Einlassöffnung wirksam unterbunden wird. Die Korrosionsgefahr wird hierdurch reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Einspritzventil jeweils nur eine einzige Einspritzöffnung aufweisen. Das erste und das zweite Einspritzventil umfassen vorzugsweise jeweils eine Einspritzdüse mit nur einem Kegelstrahl. Gegenüber der Verwendung eines einzigen Einspritzventils mit zwei Einspritzöffnungen hat dies den Vorteil, dass insgesamt weniger Kanalwand-Benetzung mit Kraftstoff erzeugt wird, da der Zielkonflikt zwischen der inneren Steg-Benetzung des Kanalteilers und der Benetzung der äußeren Kanalwand aufgelöst werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Einspritzventil derart unterschiedlich dimensioniert sind, dass unterschiedliche Mengen von Kraftstoff durch das erste und das zweite Einspritzventil eingespritzt werden.
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Ein weitere Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine, wobei ein vom ersten Einspritzventil durch das erste Einlassventil in den Brennraum eingespritzter Kraftstoff im Wesentlichen durch die erste Zündkerze entzündet wird und wobei ein vom zweiten Einspritzventil durch das zweite Einlassventil in den Brennraum eingespritzter Kraftstoff im Wesentlichen durch die zweite Zündkerze entzündet wird. In vorteilhafter Weise werden somit die oben genannten Vorteile, der verbesserten Durchbrennung des Brennraums, der Vermeidung von Mängeln im Verbrennungsverlauf, der Vermeidung von Zündaussetzern und der Vermeidung von unvollständigen Verbrennungen des Kraftstoffgemischs erzielt, wodurch die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine, insbesondere in der Start- und Warmlaufphase gesenkt werden. Ferner werden die Erzielung einer erhöhten Laufruhe, sowie eine geringere Dimensionierung des Katalysators ermöglicht. Des Weiteren wird in vorteilhafter Weise die Restabgasverträglichkeit erhöht, wodurch der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Zündkerze nur dann gezündet wird, wenn Kraftstoff vom ersten Einspritzventil eingespritzt wird, und/oder dass die zweite Zündkerze nur dann gezündet wird, wenn Kraftstoff vom zweiten Einspritzventil eingespritzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhafterweise eine gezielte und insbesondere getrennte Steuerung der Zündungszeitpunkte für den mittels des ersten Einspritzventils eingespritzten Kraftstoffs und für den mittels des zweiten Einspritzventils eingespritzten Kraftstoffs. Die erste und die zweite Zündkerze sind hierzu vorzugsweise getrennt voneinander ansteuerbar. Dies ist insbesondere im Scavenging-Modus von Vorteil, da hier aufgrund der Überschneidung von Aus- und Einlasszeiten im Brennraum- die Einspritzventile individuell angesteuert werden müssen. Der Scavenging-Modus im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass sich die Ein- und Auslasszeiten der Einlass- und Auslassventile überschneiden, so dass in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine die durch das Ansaugkanal angesaugte Frischluft sich mit Abgasen aus dem Brennraum vermischt und eine Nachverbrennung initiiert. Hierdurch erhöht sich vorteilhafterweise die Drehzahl eines nachgeschalteten Turboladers. Durch die individuelle Ansteuerung der beiden Einspritzventile ist ferner eine individuelle Ansteuerung der beiden Zündkerzen vorteilhaft, um zu jedem Zeitpunkt eine optimale Durchbrennung zu erzielen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Zündkerze in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine angesteuert werden, wobei vorzugsweise der Betriebsparameter von der aktuellen Temperatur der Brennkraftmaschine und/oder von der Stellung einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine abhängt. Bei erhöhter Last ist aufgrund der höheren Klopffestigkeit eine Anpassung des Zündwinkelkennfeldes dahingehend möglich, dass die Verbrennung im thermodynamischen Optimum erfolgt und somit die Effizienz des Verbrennungsvorgangs zu steigern ist. Eine solche Ansteuerung der ersten und zweiten Zündkerze erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit der Drosselklappeneinstellung. Ferner ist denkbar, die aktuelle Temperatur der Brennkraftmaschine und insbesondere des Katalysators zu überprüfen, damit die Anpassung des Zündwinkelkennfeldes erst bei einem aufgewärmten und konvertierten Katalysator erfolgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Einspritzventil in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine angesteuert werden, wobei vorzugsweise der Betriebsparameter von der aktuellen Temperatur der Brennkraftmaschine und/oder von der Stellung einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine abhängt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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2 eine schematische Schnittbilddarstellung einer Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche einen Zylinder aufweist, welcher einen Brennraum 2 umfasst und in welchem sich ein Kolben 2' bewegt. Die Wandung des Brennraums 2 weist eine erste und eine zweite Einlassöffnung 10', 20' auf, durch welche jeweils ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer 2 angesaugt wird und eine erste und zweite Auslassöffnung 30, 31, durch welche die Rohabgase des verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemischs aus der Brennkammer 2 in erste und zweite Auslasskanäle 32, 33 ausgestoßen werden. Die Brennkraftmaschine 1 weist ein erstes Einlassventil 10 auf, welches zum Verschließen der ersten Einlassöffnung 10' vorgesehen ist und zwischen einem ersten Ansaugkanal 11 und der Brennkammer 2 angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner ein zweites Einlassventil 20 auf, welches zum Verschließen der zweiten Einlassöffnung 20' vorgesehen ist und zwischen einem zweiten Ansaugkanal 21 und der Brennkammer 2 angeordnet ist. Der erste und der zweite Ansaugkanal 11, 21 münden auf einer der Brennkammer 2 abgewandten Seite in ein nicht dargestelltes gemeinsames Saugrohr, wobei durch eine im Saugrohr angeordnete Drosselklappe Frischluft durch das Saugrohr in Richtung der Brennkammer 2 angesaugt wird. Im ersten Ansaugkanal 11 ist ein erstes Einspritzventil 12 angeordnet, welches eine erste Einspritzöffnung 14 aufweist, durch welche ein Kraftstoffgemisch 3 durch den ersten Ansaugkanal 11 in den Bereich der ersten Einlassöffnung 10' gesprüht wird. Analog ist im zweiten Ansaugkanal 21 ein separates zweites Einspritzventil 22 angeordnet, welches eine einzige zweite Einspritzöffnung 24 aufweist, durch welche ein Kraftstoffgemisch 3 durch den zweiten Ansaugkanal 21 in den Bereich der zweiten Einlassöffnung 20' gesprüht wird. Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine dem ersten Einspritzventil 12 zugeordnete erste Zündkerze 13 und eine dem zweiten Einspritzventil 22 zugeordnete zweite Zündkerze 23 auf. Die erste Zündkerze 13 ist dabei im Brennraum 2 direkt benachbart zur ersten Einlassöffnung 10' und somit auch zum ersten Einlassventil 10 angeordnet, während die zweite Zündkerze 23 im Brennraum 2 direkt benachbart zur zweiten Einlassöffnung 20' und somit auch zum zweiten Einlassventil 20 angeordnet ist. Die erste Zündkerze 13 ist dabei insbesondere derart im Brennraum 2, dass ein vom ersten Einspritzventil 11 durch das erste Einlassventil 10 in den Brennraum 2 eingespritzter Kraftstoff 3 hauptsächlich nur durch die erste Zündkerze 13 initialentzündet wird. Analog ist die zweite Zündkerze 23 insbesondere derart im Brennraum 2 angeordnet, dass ein vom zweiten Einspritzventil 21 durch das zweite Einlassventil 10 in den Brennraum 2 eingespritzter Kraftstoff hauptsächlich nur durch die zweite Zündkerze 23 initialentzündet wird. Die erste und die zweite Zündkerze 13, 23 sind dabei vorzugsweise getrennt voneinander ansteuerbar. Ferner ist denkbar, dass das erste und zweite Einspritzventil 12, 22 getrennt voneinander ansteuerbar sind. Auf diese Weise sind besonders bevorzugt der Vorgang Einspritzung von Kraftstoff mittels des ersten Einspritzventils 12 und Entzündung dieses eingespritzten Kraftstoffs mittels der ersten Zündkerze 13 einerseits und der Vorgang Einspritzung von Kraftstoff mittels des zweiten Einspritzventils 22 und Entzündung dieses eingespritzten Kraftstoffs mittels der zweiten Zündkerze 23 andererseits parallel, individuell oder als Kombination von beiden ansteuerbar. Ferner wird eine betriebsabhängige Ansteuerung, beispielsweise in Abhängigkeit der Drosselklappeneinstellung und/oder der aktuellen Temperatur der Brennkraftmaschine 1, ermöglicht. Die Brennkraftmaschine 1 weist vorzugsweise eine Mehrzahl von solchen Zylindern auf. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst vorzugsweise einen Ottomotor für ein Automobil.
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In 2 ist eine schematische Schnittbilddarstellung einer Vorrichtung zum Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 1 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht und lediglich die Geometrie des Zylinders anders gewählt ist. Ferner ist in 2 eine Schnittbildansicht entlang einer Längsebene des Zylinders dargestellt, so dass aus perspektivischen Gründen nur der erste Ansaugkanal 11, das erste Einspritzventil 12, die erste Einlassöffnung 10', das erste Einlassventil 10, sowie die erste Zündkerze 13 zu sehen sind. Der zweite Ansaugkanal 21, das zweite Einspritzventil 22, die zweite Einlassöffnung 20', das zweite Einlassventil 20 und die zweite Zündkerze 23 sind in 2 durch die Wandung des ersten Ansaugkanals 11, die Wandung des Brennraums 2, sowie durch die abgebildeten ersten Elemente verdeckt. In 2 ist ferner der sich im Zylinder auf und ab bewegende Kolben 2' beispielhaft in seiner untersten Stellung abgebildet. Das erste Einlassventil 10 ist in seiner geöffneten Stellung abgebildet, d. h. es wird ein Luft-Kraftstoffgemisch aus dem ersten Ansaugkanal 11 in den Brennraum 2 angesaugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008044244 A1 [0002]
