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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung wird versucht, einen Einfluss auf die Verbrennung und auf die Emissionsbildung durch eine Variation des Einspritzverlaufs zu nehmen. Zur Gestaltung einer lastabhängigen Kraftstoffeinspritzung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung werden Einspritzventile eingesetzt, bei denen der Einspritzverlauf durch gezieltes Öffnen und Schließen des Einspritzventils bzw. der Einspritzdüse beispielsweise durch Piezoelemente gesteuert wird.
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In der
DE 101 13 670 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über einen ventilsteuernden Piezoaktor beschreiben, bei dem die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfasst und die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor abgreifbaren elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der Betriebssituation gewählt wird. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems vorgeschlagen, bei dem ein Piezoelement so angesteuert wird, dass die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor abgreifbaren elektrischen Spannung an die Betriebssituation der Brennkraftmaschine angepasst ist.
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Die
US 2003/0066508 A1 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff wird betriebspunktabhängig mittels einer oder mehrerer Einspritzungen direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei die Brennkraftmaschine homogen betrieben wird.
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Die
WO 01/11 223 A1 offenbart eine Kraftstoffeinspritzdüse für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen, wobei ein Verschlusskörper der Kraftstoffeinspritzdüse mittels einer Steuereinrichtung bewegt wird und ein Betriebshub des Verschlusskörpers und eine Kraftstoffeinspritzdauer variabel einstellbar sind.
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Die
DE 198 15 266 A1 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff wird betriebspunktabhängig mittels mehrerer Einspritzungen mit unterschiedlichen zeitlichen Verlauf direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei die Brennkraftmaschine geschichtet betrieben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Einspitzverhalten einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung derart zu gestalten, dass ein verbessertes Einspritzverhalten und demzufolge eine verbesserte Verbrennung erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verschlusskörper der Kraftstoffeinspritzdüse mittels einer Steuereinrichtung bewegt wird, wobei ein Betriebshub des Verschlusskörpers und eine Kraftstoffeinspritzdauer variabel einstellbar sind, und in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt entweder ein Homogen- oder ein Schichtladebetrieb eingestellt wird, so dass im Schichtladebetrieb ein einstellbarer Betriebshub des Verschlusskörpers eingestellt wird, und im Homogenbetrieb wahlweise ein reduzierter Betriebshub als im Schichtladebetrieb derart eingestellt wird, dass bei einem reduzierten Betriebshub die Kraftstoffeinspritzdauer verlängert wird. Vorzugsweise wird im Schichtladebetrieb ein maximal einstellbarer Betriebshub eingestellt. Dennoch kann dieser bei der Einspritzung von kleinen Kraftstoffmengen ebenfalls reduziert werden, um eine Mindestöffnungsdauer der Kraftstoffeinspritzdüse zu gewährleisten.
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Durch die betriebspunktabhängige Einstellung des Betriebshubes wird eine Brennraumwandbenetzung mit Kraftstoff minimiert, sodass die Abgasemissionen verbessert und Ablagerungen im Brennraum vermieden werden. Die lastabhängige Betriebshubvariation ermöglicht weiterhin einen gezielten Austritt der Kraftstofftropfen aus der Einspritzdüse, wodurch ein optimierter Kraftstofftropfenzerfall bewerkstelligt werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Kraftstoffeinspritzdauer im Homogenbetrieb bei Einstellung des maximalen Betriebshubes zwischen 0,1 ms und 10 ms und bei Einstellung des reduzierten Betriebshubes zwischen 0,1 ms und 50 ms. Hierdurch wird eine betriebspunktabhängige und genaue Dosierung des Kraftstoffes während des Homogenbetriebs erzielt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine die Kraftstoffeinspritzung derart gestaltet, dass eine erste Kraftstoffteilmenge wahlweise in einem Ansaughub oder in einem Kompressionshub, eine zweite und gegebenenfalls eine dritte Teilmenge im Kompressionshub in den Brennraum eingebracht werden. Eine derartige Einbringung des Kraftstoffes ermöglicht eine gezielte Bildung einer zündfähigen Gemischwolke in der Nähe einer Zündquelle, so dass während des Schichtladebetriebs eine zuverlässige Zündung und Verbrennung des gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches gewährleistet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine der Betriebshub des Verschlusskörpers derart eingestellt, dass der maximal einstellbare Betriebshub während der Einspritzung der ersten Kraftstoffteilmenge eingestellt und der Betriebshub des Verschlusskörpers bei den darauffolgenden Teilmengen wahlweise kleiner als bei der ersten Teilmenge eingestellt wird. Hierbei wird in der Nähe der Zündquelle eine zündfähige Gemischwolke bereitgestellt, die zuverlässig zündet, wodurch eine optimale Verbrennung des gesamten Gemisches erreicht wird.
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Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Zylinders einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine,
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2 eine schematische Darstellung des Hubverlaufs eines Verschlusskörpers einer Kraftstoffeinspritzdüse der Brennkraftmaschine aus 1 im Homogenbetrieb,
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3 eine schematische Darstellung des Hubverlaufs des Verschlusskörpers der Kraftstoffeinspritzdüse der Brennkraftmaschine aus 1 im Schichtladebetrieb bei einer einfachen Kraftstoffeinspritzung,
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4 eine schematische Darstellung des Hubverlaufs des Verschlusskörpers der Kraftstoffeinspritzdüse der Brennkraftmaschine aus 1 im Schichtladebetrieb bei einer Doppelkraftstoffeinspritzung, und
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5 eine schematische Darstellung des Hubverlaufs des Verschlusskörpers der Kraftstoffeinspritzdüse der Brennkraftmaschine aus 1 im Schichtladebetrieb bei einer dreifachen Kraftstoffeinspritzung.
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1 zeigt einen Zylinder 2 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 mit Direkteinspritzung. Im Zylinder ist ein Brennraum 4 zwischen einem Kolben 3 und einem Zylinderkopf 5 begrenzt. Im Zylinder 2 wird der Kolben 3 längsverschieblich gehalten, wobei die Längsbeweglichkeit des Kolbens 3 durch einen oberen Totpunkt OT und einen unteren Totpunkt UT begrenzt wird. Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 arbeitet nach dem Viertaktprinzip, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls für fremdgezündete Zweitaktbrennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung eignet.
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Im ersten Takt bzw. Ansaughub der Brennkraftmaschine 1 wird dem Brennraum 4 durch einen Einlasskanal 13 Verbrennungsluft zugeführt, wobei der Kolben 3 sich in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt UT bewegt. In einem nachfolgenden Kompressionshub bewegt sich der Kolben 3 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT zu einem oberen Totpunkt OT. Im Bereich des oberen Totpunkts OT wird mittels einer Zündkerze 7 das Kraftstoffluftgemisch gezündet, wobei der Kolben 3 in einer Abwärtsbewegung bis zum unteren Totpunkt UT expandiert. Im letzten Takt fährt der Kolben 3 in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Totpunkt OT und schiebt die Abgase aus dem Brennraum 4 aus.
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Die Brennkraftmaschine 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird derart betrieben, dass im unteren und mittleren Drehzahl- und Lastbereich im Schichtladebetrieb oder im Homogenbetrieb und im oberen Lastbereich im Homogenbetrieb gefahren wird. Im Homogenbetrieb wird der Kraftstoff mittels einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 14 während des Ansaughubes in den Brennraum 4 eingespritzt. Dagegen wird der Kraftstoff im Schichtladebetrieb während des Kompressionshubs eingespritzt, wobei bei einer zweifachen oder dreifachen Taktung der Kraftstoffeinspritzung im Schichtladebetrieb die erste Kraftstoffeinspritzung wahlweise im Ansaughub vorgenommen werden kann.
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Es ist denkbar, dass der Kraftstoff im Homogenbetrieb ebenfalls mittels einer einfachen, zweifachen oder dreifachen Taktung eingespritzt wird. Bei einer zweifachen Taktung können beide Einspritztakte im Ansaughub oder eine im Ansaughub und die zweite im Kompressionshub vorgenommen werden. Bei einer dreifachen Taktung können die ersten beiden Takte im Ansaughub und die dritte im Kompressionshub oder die erste im Ansaughub und die letzten zwei Takte im Kompressionshub stattfinden.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 14 eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 auf, welche sich insbesondere zur Durchführung eines strahlgeführten Brennverfahrens eignet. Demnach wird mit der Einspritzdüse 11 der Kraftstoff als ein Kraftstoffhohlkegel 8, vorzugsweise mit einem Winkel α zwischen 70° und 100° in den Brennraum 4 eingespritzt. Die Einspritzdüse 11 weist einen nicht dargestellten Verschlusskörper, der mittels einer Düsennadel mit einem Steuerelement verbunden ist. Durch die Ansteuerung der Düsennadel durch das Steuerelement wird der Verschlusskörper bewegt, um die Einspritzdüse 11 zu öffnen bzw. zu schließen. Dabei wird der Verschlussköper in eine Betriebsstellung gebracht, sodass ein bestimmter Betriebshub lastabhängig eingestellt wird. Abhängig vom Betriebshub und von der Öffnungszeit wird der Kraftstoffdurchfluss bestimmt bzw. verändert.
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Erfindungsgemäß wird der Verschlusskörper der Kraftstoffeinspritzdüse 11 mittels des Steuerelements bzw. einer Steuereinrichtung derart bewegt, dass ein Betriebshub und eine Kraftstoffeinspritzdauer variabel einstellbar sind. In Abhängigkeit von einem Betriebspunkt wird durch eine Motorsteuerung entweder ein Homogen- oder ein Schichtladebetrieb eingestellt. Im Schichtladebetrieb wird ein maximal einstellbarer Betriebshub des Verschlusskörpers eingestellt, wobei im Homogenbetrieb wahlweise ein kleinerer reduzierter Betriebshub als im Schichtladebetrieb eingestellt wird. Dennoch kann bei der Einspritzung von kleinen Kraftstoffmengen im Schichtladebetrieb der maximal einstellbare Betriebshub ebenfalls reduziert werden, um eine Mindestöffnungsdauer der Kraftstoffeinspritzdüse zu gewährleisten.
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Dabei wird im Homogenbetrieb bei einem reduzierten Betriebshub die Kraftstoffeinspritzdauer EH2 gemäß 2 verlängert, um den Kraftstoffdurchfluss dementsprechend anzupassen. Vorzugsweise beträgt im Homogenbetrieb bei Einstellung des maximalen Betriebshubes Hmax eine Kraftstoffeinspritzdauer zwischen 0,1 ms und 10 ms und bei Einstellung des reduzierten Betriebshubes zwischen 0,1 ms und 50 ms.
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Mit der beschriebenen Einstellung des Betriebshubes des Verschlusskörpers der Einspritzdüse 6 und einer vorgenommenen Mehrfacheinspritzung kann das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden. Verbrauch und Emissionsbildung können dadurch optimiert werden. Diese Vorteile ergeben sich insbesondere beim Einsatz eines Piezo-Injektors als eine Steuereinrichtung, bei dem kurze Einspritzzeiten, beispielsweise weniger als 0,25 ms, und unterschiedliche Betriebshübe des Verschlussköpers der Einspritzdüse 6 erzielt werden können. Dadurch können in einer Teilmenge sehr kleine Kraftstoffmengen gezielt in den Brennraum eingebracht werden, wenn die Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise mit hohen Einspritzdrücken zwischen 150 bar und 300 bar, insbesondere zwischen 170 bar und 220 bar erfolgt.
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Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für ein strahlgeführtes Brennverfahren, da bei einem solchen Brennverfahren innerhalb kürzester Zeit ein gut aufbereitetes Gemisch im Bereich der Zündkerze vorliegen muss. Die Lage und Eigenschaften der zündfähigen Gemischwolke werden positiv beeinflusst, wodurch in allen Lastbereichen eine zuverlässige Zündung stattfindet.
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Bei einem strahlgeführten Brennverfahren trifft ein Kraftstoffhohlkegel 8 auf eine im Brennraum 4 komprimierte Verbrennungsluft, so dass sich ein torusförmiger Wirbel 10 im Brennraum 4 derart ausbildet, dass sich im Bereich der Elektroden 12 der Zündkerze 7 ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzielt wird. Die Anordnung der Zündkerze 7 erfolgt derart, dass die Elektroden 12 der Zündkerze 7 in den erzielten Wirbel hineinragen, wobei sie während der Kraftstoffeinspritzung außerhalb der Mantelfläche 9 des Kraftstoffkegels 8 liegen. Dadurch werden die Elektroden 12 der Zündkerze 7 mit Kraftstoff nicht benetzt. Um eine optimale Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes zu erzielen, ist es notwendig, einen symmetrischen und gleichmäßigen torusförmigen Wirbel 10 zu gestalten, d. h. der erzielte torusförmige Wirbel 10 soll im gesamten Bereich eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung aufweisen, so dass eine Verkippung des Wirbels nicht stattfindet.
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Im Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff vorzugsweise im Ansaughub in den Brennraum 4 eingespritzt. Vorzugsweise findet der Einspritzbeginn EB zwischen 340°KW und 200°KW vor OT statt, wobei das Einspritzende EE zwischen 280°KW und 120°KW vor OT liegt. Um die Wandbenetzung mit Kraftstoff zu minimieren, wird im Homogenbetrieb gemäß 2 ein reduzierter Betriebshub HRed bei einer Kraftstoffeinspritzdauer EH2 eingestellt, wobei bei einigen Betriebspunkten die Einstellung eines Vollhubes Hmax denkbar ist.
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Die Einstellung des reduzierten Betriebshubes HRed kann lastpunkt- und drehzahlabhängig variiert werden, so dass eine Minimierung der Brennraumwandbenetzung mit Kraftstoff erzielt wird. Hierdurch werden die Abgasemissionen verbessert und Ablagerungen im Brennraum 4 vermieden. Weiterhin soll die betriebspunktabhängige Betriebshubvariation des Verschlusskörpers einen gezielten Austritt der Kraftstofftropfen aus der Einspritzdüse ermöglichen.
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Im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise die Kraftstoffeinspritzung in drei Teilmengen gemäß 5 in den Brennraum 4 vorgenommen, wobei eine einfache Einspritzung gemäß 3 oder eine Doppeleinspritzung gemäß 4 ebenfalls lastabhängig vorgenommen werden kann. Es ist denkbar, dass die erste Teilmenge z. B. bei hohen Lasten mit einem effektiven Mitteldruck zwischen 4 bar und 8 bar, im Ansaughub vorzugsweise zwischen 200°KW und 320°KW vor OT vorgenommen wird.
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In 3 ist der Hubverlauf des Verschlusskörpers im Schichtladebetrieb bei einer einfachen Kraftstoffeinspritzung dargestellt. Vorzugsweise wird der Betriebshub des Verschlusskörpers auf einen maximalen Betriebshub Hmax eingestellt. Es ist denkbar, dass ein reduzierter Hub HRed eingestellt wird, wobei dann die Kraftstoffeinspritzdauer ES1 dementsprechend angepasst wird.
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Gemäß 4 wird die Kraftstoffeinspritzung im Schichtladebetrieb derart vorgenommen, dass eine erste und eine zweite Teilmenge ES1, ES2 im Kompressionshub der Brennkraftmaschine eingebracht werden. Die erste Teilmenge ES1 kann alternativ bei hohen Lasten, z. B. bei einem effektiven Mitteldruck Pme zwischen 4 bar und 8 bar, vorzugsweise im Ansaughub zwischen 200°KW und 320°KW vor OT vorgenommen werden. Im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine findet die Zündung nach der letzten Teilmenge statt. Dies kann je nach Betriebspunkt die zweite oder die dritte Teilmenge sein. Gemäß 4 wird der Zündzeitpunkt ZZP lastabhängig in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 10°kW und 50°KW vor OT vorgenommen. Dabei soll der Zündzeitpunkt ZZP einen Zeitabstand DZZP von –4°KW und 15°KW zum Einspritzende der letzten Einspritzung aufweisen. Der negative Wert des Zeitabstands DZZP weist daraufhin, dass der Zündzeitpunkt ZZP vor dem Ende der Kraftstoffeinspritzung stattfindet. Die Abmessungen der in den Figuren dargestellten Betriebshübe sowie die Einspritzdauer sind beispielhaft und können je nach Betriebspunkt variiert werden.
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In 5 ist eine dreifache Kraftstoffeinspritzung im Schichtladebetrieb dargestellt. Die gesamte Kraftstoffmenge wird in Form einer ersten, einer zweiten und einer dritten Teilmenge ES1, ES2, ES3 im Kompressionshub der Brennkraftmaschine in den Brennraum 4 eingebracht. Die Einspritzung der letzten Teilmenge ES3 wird lastabhängig in einem Kurbelwinkelbereich beendet, der zwischen 15°KW vor dem Zündzeitpunkt ZZP und 4°KW nach dem Zündzeitpunkt ZZP liegt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann der Zündzeitpunkt ZZP 4°KW vor dem Einspritzende der letzten Teilmenge bis 15°KW nach Einspritzende der letzten Teilmenge vorgenommen werden.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein strahlgeführtes Brennverfahren beschrieben, bei dem vorzugsweise eine nach außen öffnende Einspritzdüse verwendet wird. Dennoch kann das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls bei wandgeführten Brennverfahren verwendet werden, bei denen eine entsprechend ausgebildete Kolbenmulde zur Umlenkung des eingespritzten Kraftstoffs und somit zur Bildung einer zündfähigen Gemischwolke eingesetzt wird.
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Es ist denkbar, dass bei einer dreifachen Kraftstoffeinspritzung gemäß 5 eine Variation des Betriebshubes des Verschlusskörpers der Einspritzdüse vorgenommen wird. Vorzugsweise wird im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine 1 der Betriebshub des Verschlusskörpers derart eingestellt wird, dass der maximal einstellbare Betriebshub Hmax während der Einspritzung der ersten Kraftstoffteilmenge ES1 eingestellt wird, wobei bei den darauffolgenden Teilmengen der Betriebshub des Verschlusskörpers wahlweise kleiner als bei der ersten Teilmenge, z. B. als ein reduzierter Betriebshub HRed eingestellt wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt im Schichtladebetrieb die Einspritzdauer der ersten Teilmenge ES1 zwischen 0,1 ms und 10 ms, wobei die Einspritzdauer der zweiten Teilmenge sowie der dritten zweiten Teilmenge jeweils zwischen 0,1 ms und 3 ms betragen. Um eine optimale Zündbedingungen zu gewährleisten, wird im Schichtladebetrieb eine Dauer DS23 zwischen dem Einspritzbeginn der dritten Teilmenge und dem Einspritzende der zweiten Teilmenge von etwa 0,1 ms bis 1 ms eingestellt.
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Erfindungsgemäß wird eine sichere und zuverlässige Zündung des gebildeten Gemisches derart bewirkt, dass bei der Einspritzung der ersten Kraftstoffteilmenge im Ansaughub während des Schichtladebetriebs eine Dauer DS12 zwischen dem Einspritzbeginn der zweiten Teilmenge und dem Einspritzende der ersten Teilmenge zwischen etwa 0,1 ms und einem bestimmten Zeitabstand T liegt, wobei T derart gewählt wird, dass der Einspritzbeginn der ersten Teilmenge ES1 zwischen 130°KW und 330°KW vor dem Zündzeitpunkt ZZP liegt. Vorzugsweise liegt der Zündzeitpunkt ZZP im Schichtladebetrieb zwischen 10°KW und 50°KW vor einem oberen Totpunkt OT.
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Mit der erfindungsgemäßen Einstellung des Betriebshubes des Verschlusskörpers der Einspritzdüse 6 und der vorgenommenen Taktung wird im Schichtladebetrieb das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert, so dass Verbrauch und Emissionsbildung hierdurch optimiert werden können. Beim Einsatz eines Piezo-Injektors wird durch das erfindungsgemäße Verfahren bei einem strahlgeführten Brennverfahren eine optimale Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes erzielt, da hierdurch ein symmetrischer und gleichmäßiger torusförmiger Wirbel 10 gestaltet werden kann.
