DE19929944B4

DE19929944B4 - Getaktete Kraftstoff/Luft-Einspritzung

Info

Publication number: DE19929944B4
Application number: DE1999129944
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Ing. Anderson; Günter Dr. Karl; Rudolf Dipl.-Ing. Klein; Stephan Dr. Krämer; Peter Dipl.-Ing. Lautenschütz; Johannes Dipl.-Ing. Leweux; Christoph Dipl.-Ing. Lux; Gregor Dr.-Ing. Renner; Klaus Dipl.-Ing. Rößler; Matthias Dipl.-Ing. Schumacher
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: DE19929944A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einbringen von Luft und Kraftstoff in den Verbrennungsraum 1 einer Otto-Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung 2 für Kraftstoff und einer Luftzufuhrvorrichtung 2', die über eine Steuervorrichtung derart getaktet werden, daß in einem ersten Abschnitt 36 ein Kraftstoffzufuhrimpuls 31 und zeitlich versetzt dazu ein Luftzufuhrimpuls 26 in den Verbrennungsraum 1 eingeführt wird, wobei die Steuervorrichtung derart getaktet ist, daß die Luft- und Kraftstoffzufuhr in mindestens drei Abschnitten 36, 37, 38 eingebracht wird, wobei in jedem Abschnitt mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls 31 bis 35 und danach ein Luftzufuhrimpuls 26 bis 30 erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einbringen von Luft und Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Otto-Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff und einer Luftzufuhrvorrichtung, die über eine Steuervorrichtung derart gesteuert werden, daß mindestens in einem ersten Abschnitt mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls und zeitlich versetzt dazu mindestens ein Luftzufuhrimpuls in den Verbrennungsraum eingeführt wird.
Es ist bereits ein Verfahren aus der DE 198 15 266 A1 bekannt, das die unterteilte Einbringung der Gesamtkraftstoffmenge in mehreren Teilmengen vorsieht. Die Teilmengen sind dabei, soweit sie nach UT eingebracht werden, mit Bezug zur Phasenlage voneinander abhängig. Die Einbringung von Luft ist nicht vorgesehen.
Aus der Zeitschrift Society of Automotive Engineers, Inc. von R. Housten und G. Cathcart ist eine Vorrichtung bekannt, die zum Einbringen von Luft und Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Otto-Brennkraftmaschine dient. Bei dem bekannten Einspritzverfahren wird Luft und Kraftstoff in zwei zeitlich versetzten Abschnitten in den Verbrennungsraum eingegeben. Hierdurch wird eine nicht optimale Brennstoff/Luft-Gemischaufbereitung erzielt.
Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, eine Vorrichtung derart auszubilden, daß eine optimale Einbringung der Luft und des Kraftstoffs erfolgt und somit die Verbrennung beschleunigt bzw. die Abgaswerte wesentlich reduziert werden.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß mindestens drei Abschnitte vorgesehen sind und in jedem Abschnitt mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls und danach ein Luftzufuhrimpuls erfolgt, wobei die Abschnitte voneinander beabstandet und zwischen 0° KW und 160° KW nach UT platziert sind. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Einspritzvorrichtung und durch die getaktete Einbringung von Kraftstoff und Luft in drei Abschnitte wird eine wesentlich verbesserte Gemischaufbereitung erzielt und dadurch auch eine bessere Verbrennung, was zu einer Herabsetzung der HC-, CO- und Rußwerte führt. Dabei ist es auch vorgesehen, daß die Steuervorrichtung derart getaktet ist, daß die Luft- und Kraftstoffzufuhr in mindestens drei Abschnitte eingebracht wird, wobei in jedem Abschnitt mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls und danach ein Luftzufuhrimpuls erfolgt.
Ferner ist es vorteilhaft, daß der erste Abschnitt zwischen 0° KW und 45° KW nach UT platziert ist.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß im zweiten Abschnitt zwischen 45° KW und 100° KW nach UT mindestens drei Kraftstoffzufuhrimpulse und mindestens drei Luftzufuhrimpulse erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß der dritte Abschnitt zwischen 100° KW und 160° KW nach UT platziert ist, wobei der Luftzufuhrimpuls zumindest in einem der Abschnitte zwischen 0° KW und 5° KW nach dem Kraftstoffzu fuhrimpuls erfolgt. Durch das Aufteilen der Kraftstoffeinspritzung und der Luftzuführung in drei verschiedene Abschnitte mit unterschiedlicher Dauer bzw. Intensität wird der Verbrennungsablauf weiterhin optimiert. In vorteilhafter Weise wird im ersten Abschnitt nur ein Kraftstoffeinspritzvorgang und nach kurzer zeitlicher Verzögerung ein Luftzufuhrimpuls vorgenommen. Im zweiten Abschnitt kann die Anzahl der Impulse auf drei oder mehr gesteigert werden, während in der dritten Phase wieder lediglich eine Kraftstoffeinspritzung und ein Luftzufuhrimpuls mit größerer Intensität erfolgt.
Außerdem ist es möglich, daß in jedem Abschnitt die jeweiligen Kraftstoffzufuhrimpulse gleich groß sind.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß im ersten Abschnitt zwischen 5% und 25% der Kraftstoffmenge zugeführt wird.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß im zweiten Abschnitt zwischen 25% und 50% der Kraftstoffmenge und im dritten Abschnitt zwischen 25% und 70% der Kraftstoffmenge zugeführt wird.
Hierzu ist es vorteilhaft, daß zumindest in einem der Abschnitte, vorzugsweise im dritten der Luftzufuhrimpuls größer ist als in einem der anderen Abschnitte.
Ferner ist es vorteilhaft, daß zumindest in einem der Abschnitte, vorzugsweise im ersten Abschnitt der Kraftstoffzufuhrimpuls größer ist als in einem der anderen Abschnitte.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1 eine Schnittdarstellung von einem Zylinderkopf und einem Zylinderfuß mit Pleuel, Kolben, Zündkerze und Einspritzdüse,
2 eine Schnittdarstellung von einem Zylinderkopf,
3 eine schematische Darstellung der Ein- und Auslaßventile in der Ansicht von oben,
4 ein Diagramm der verschiedenen Kraftstoff- und Luftzufuhrimpulse.
In der Zeichnung ist in 1 und 2 ein Zylinderkopf mit 3 bezeichnet, der aus einem Zylinderkopfgehäuse 15 besteht, an dessen oberem Ende ein Flansch 16 zur Aufnahme eines in der Zeichnung nicht dargestellten Zylinderkopfdeckels vorgesehen ist.
In 1 ist ferner ein Zylinderfußgehäuse 14 dargestellt, das zur Aufnahme eines Kolbens 12 mit einem Pleuel 21 dient und eine Zylinderwand 13 aufweist. Der Kolbenboden 12 kann mit einer Erhöhung 22 und/oder mit einer Mulde 22' ausgestattet sein.
Im Zylinderkopfgehäuse 15 befinden sich in 2 dargestellte Ein- und Auslaßkanäle 17, 18 sowie in der Zeichnung nicht dargestellte weitere Ein- und Auslaßkanäle. Ferner weist das Zylinderkopfgehäuse 15 Ein- und Auslaßventile 6, 7 auf, die mit Bezug auf eine Zylindermittelachse 24 geneigt verlaufend angeordnet sind. Die Ein- und Auslaßventile 6, 7 werden über eine Ventilsteuereinrichtung 19, 20 betätigt.
Der in 1 dargestellte Zylinderkopf 3 bildet mit dem Kolbenboden 12 und der Zylinderwand 13 einen Verbrennungsraum 1. Im Verbrennungsraum 1 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach dem Verdichtungsvorgang über eine Zündkerze 5 gezündet. Im Anschluß an den Arbeitshub erfolgt das Ausblasen der Abgase über die Auslaßventile 7, 7' (3). Bei dem nun folgenden Ansaugvorgang wird über die Einlaßkanäle 17 und die Einlaßventile 6, 6' Luft angesaugt. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt entweder im Ansaugvorgang (Homogenbetrieb) oder im darauf folgenden Kompressionsvorgang (Schichtbetrieb).
In 1 ist eine Einspritzdüse 2 dargestellt, deren Mittelachse 9 mit Bezug auf eine Zylinderkopfunterseite 8 in einem Winkel β angeordnet ist. Der Winkel β kann eine Größe zwischen 20° und 45° aufweisen. Über die Einspritzdüse 2 wird, wie nachfolgend beschrieben, zuerst Kraftstoff 10 und dann im zeitlichen Abstand Luft zugeführt.
Der Kraftstoff 10 wird über die Einspritzdüse 2 eingebracht. Die Einspritzdüse 2 ist, wie bereits erwähnt, als luftunterstützte Einspritzdüse bzw. als Kombinationsdüse ausgebildet. Sie kann auch als Hochdruck-Einspritzdüse ausgebildet sein, wobei dann die Luft über eine getrennte Einrichtung zugeführt wird.
Die Anordnung der Einspritzdüse 2 ergibt sich insbesondere aus 1, aus der hervorgeht, daß die Einspritzdüse 2 zwischen den beiden Einlaßventilen 6, 6' vorgesehen und auf die Zündkerze 5 ausgerichtet ist, die koaxial zur Zylindermittelachse 24 angeordnet ist. Es ist auch möglich, die Zündkerze 5 in Bezug auf die Zylindermittelachse 24 geneigt verlaufend anzuordnen.
Im Homogenbetrieb wird der Kraftstoff 10 über die Einspritzdüse 2 während des Ansaughubs des Kolbens 12 in den Verbrennungsraum 1 eingebracht. Diese Ladungsvariante wird während des Vollastbetriebs eingesetzt, da hier aufgrund der Motordrehzahlen und der Kraftstoffmenge etwas mehr Zeit benötigt wird, um ein optimales Zündgemisch zu bilden. Zwischen dem Einspritzvorgang und der Zündung verbleibt noch die Zeit des Verdichtungshubs des Kolbens 12, in der sich das Brennstoff/Luft-Gemisch ausbilden kann.
Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff 10 über die Einspritzdüse 2 während des Verdichtungshubs des Kolbens 12 in den Verbrennungsraum 1 gebracht. Diese Ladungsvariante wird während des Teillastbetriebs eingesetzt, da aufgrund der geringen Motordrehzahlen und der kleineren Kraftstoffmenge etwas weniger Zeit benötigt wird, um ein optimales Zündgemisch zu bilden. Zwischen dem Einspritzvorgang und der Zündung verbleibt für die Gemischbildung noch genügend Zeit.
Die in 1 dargestellte Anordnung der Einspritzdüse 2, der Ein- und Auslaßventile 6, 7 und der Zündkerze 5 ermöglicht ein luftgeführtes Brennverfahren. Ein rußendes, mit hohen Ruß-, HC- und CO-Werten verbundenes Abbrennen des Kraftstoffs 10 wird verhindert.
Damit eine gute Gemischbildung erreicht wird, ist es vorteilhaft, daß die Luft- und die Kraftstoffzufuhr in mindestens drei Abschnitte eingebracht wird, wobei in jedem Abschnitt 36, 37, 38 mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls 31 bis 35 und danach ein Luftzufuhrimpuls 26 bis 30 erfolgt.
Im ersten Abschnitt 36 erfolgen zwischen 0° KW und 45° KW nach UT mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls 31 und mindestens ein Luftzufuhrimpuls 26. Im zweiten Abschnitt erfolgen zwischen 45° KW und 100° KW nach UT mindestens drei Kraftstoffzufuhrimpulse 32, 33, 34 und mindestens drei Luftzufuhrimpulse 27, 28, 29. Im dritten Abschnitt erfolgen zwischen 100° KW und 160° KW nach UT mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls 35 und mindestens ein Luftzufuhrimpuls 30.
Nach diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, daß der Luftzufuhrimpuls zumindest in einem der Abschnitte nach dem Kraftstoffzufuhrimpuls, insbesondere zwischen 0° KW und 5° KW nach dem Kraftstoffzufuhrimpuls, erfolgt.
Ferner kann im ersten Abschnitt 36 zwischen 5% und 25% der Kraftstoffmenge, im zweiten Abschnitt 37 zwischen 25% und 50% der Kraftstoffmenge und im dritten Abschnitt 38 zwischen 25% und 70% der Kraftstoffmenge zugeführt werden.
Gemäß 4 sind in jedem Abschnitt die jeweiligen Kraftstoffzufuhrimpulse gleich groß, wobei lediglich im dritten Abschnitt 38 der Luftzufuhrimpuls 30 größer ist als in einem der anderen Abschnitte. Durch diese getaktete Kraftstoff- und Luftzufuhr wird eine einwandfreie Verbrennung gewährleistet.

Claims

Vorrichtung zum Einbringen von Luft und Kraftstoff in den Verbrennungsraum (1) einer Otto-Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung (2) für Kraftstoff und einer Luftzufuhrvorrichtung (2'), die über eine Steuervorrichtung derart gesteuert werden, daß in einem ersten Abschnitt (36) und in einem zweiten Abschnit (37) jeweils ein Kraftstoffzufuhrimpuls (31, 32) und zeitlich versetzt dazu ein Luftaufuhrimpuls (26, 27) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Abschnitte (36, 37, 38) vorgesehen sind und in jedem Abschnitt mindestens ein Kraftstoffzufuhrimpuls (31 bis 35) und danach ein Luftzufuhrimpuls (26 bis 30) erfolgt, wobei die Abschnitte (36, 37, 38) voneinander beabstandet und zwischen 0° KW 160° KW nach UT platziert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (36) zwischen 0° KW und 45° KW nach UT platziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Abschnitt (37) zwischen 45° KW und 100° KW nach UT mindestens drei Kraftstoffzufuhrimpulse (32, 33, 34) und mindestens drei Luftzufuhrimpulse (27, 28, 29) erfolgen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Abschnitt (38) zwischen 100° KW und 160° KW nach UT platziert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftzufuhrimpuls zumindest in einem der Abschnitte (36, 37, 38) zwischen 0° KW und 5° KW nach dem Kraftstoffzufuhrimpuls erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Abschnitt die jeweiligen Kraftstoffzufuhrimpulse (31 bis 35) gleich groß sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Abschnitt (36) zwischen 5% und 25% der Kraftstoffmenge zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Abschnitt (37) zwischen 25% und 50% der Kraftstoffmenge zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß irr dritten Abschnitt (38) zwischen 25% und 70% der Kraftstoffmenge zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im dritten Abschnitt (38) der Luftzufuhrimpuls (30) größer ist als in einem der anderen Abschnitte.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im ersten Abschnitt (36) der Kraftstoffzufuhrimpuls (31) größer ist als in einem der anderen Abschnitte.