DE19949812A1 - Verfahren zum Betreiben einer Common-Rail-Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zum Betreiben einer Common-Rail-Brennkraftmaschine, wobei eine Kraftstoffdirekteinspritzung in wenigstens einen Zylinder, in welchem ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt oszilliert, durch wenigstens ein zwischen dem Zylinder und einer Rail angeordnetes Einspritzventil erfolgt. Durch eine Zufuhr von thermischer Energie in den Bereich des Einspritzventils wird die Temperatur des einzuspritzenden Kraftstoffs derart erhöht, daß sie oberhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den jeweiligen Druckbedingungen im Zylinder, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet, liegt, aber unterhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den jeweiligen Druckbedingungen, welche zum selben Zeitpunkt in der Rail herrschen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Common-Rail-Brennkraftmaschine nach der im Ober­ begriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung von Kraftstoff, z. B. Diesel oder Benzin, welche nach dem Common-Rail-Prinzip arbeiten, wird der Kraftstoff aus einem gemeinsamen Kraftstoffverteilergehäuse, der so­ genannten Rail, mit sehr hohem Druck in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Aufgrund des sehr hohen Drucks von zum Teil über 1200 bar sind an die Rail, an sämtliche Leitungselemente, die mit der Rail in Verbindung stehen, sowie an die Einspritzventile und an die den hohen Druck erzeugende Hochdruckpumpe große Anforderungen bezüglich ihrer Dichtheit zu stel­ len.

Aus dem Bereich der Benzin- bzw. Dieselbrennkraftma­ schinen, welche nicht nach dem Common-Rail-Prinzip arbeiten, ist bekannt, Kraftstoff im Bereich der Ein­ spritzdüse bzw. des Einspritzventils vorzuwärmen, um die Verbrennung des jeweiligen Kraftstoffs in dem Zy­ linder zu verbessern.

Entsprechende Vorrichtungen, welche sich hierzu elek­ trischer Widerstandsheizungen bzw. Heizpatronen bedie­ nen werden in der DE 26 46 069 A1 und in der DE 30 17 591 A1 beschrieben.

Die DE 44 31 189 C2 beschreibt eine Vorwärmung des Kraftstoffs im Bereich der Einspritzdüse durch eine Erhöhung der elektrischen Verlustleistung in den elek­ trischen bzw. elektromagnetischen Betätigungselementen der jeweiligen Einspritzdüse.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung der Betriebseigenschaften einer Commom-Rail Brenn­ kraftmaschine, insbesondere eine Optimierung der Ver­ brennung des jeweiligen Kraftstoffs in den Zylindern und bei Dieselmotoren eine deutliche Reduktion der Rußbildung zu erreichen und darüber hinaus den erfor­ derlichen Druck in der Rail zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus den Ansprüchen 4 bis 9.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht dabei auf einer Zufuhr von thermischer Energie, also einem Heizen, des einzuspritzenden Kraftstoffs im Bereich des Einspritz­ ventils bzw. der Einspritzdüse. Dabei wird die Tempe­ ratur genau in der Art erhöht, daß sie oberhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den jeweiligen Druckbedingungen im Zylinder, wenn sich der Kolben in einem oberen Totpunkt befindet, liegt, aber unterhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraft­ stoffs bei den jeweiligen Druckbedingungen, welche gleichzeitig in der Rail herrschen.

Der Kraftstoff wird also einerseits so hochgeheizt, daß er bei den Druckbedingungen in der Rail und damit auch in dem Einspritzventil unter dem Siedepunkt des Kraftstoffs zu diesen Druckbedingungen liegt. Selbst­ verständlich wird hier ein gewisser Abstand zu der jeweiligen Siedetemperatur gewahrt, um ein Verdampfen des Kraftstoffs in der Rail unter den üblicherweise auftretenden Bedingungen zu vermeiden. Andererseits liegt die Temperatur, auf welche der Kraftstoff hoch­ geheizt wird, jedoch oberhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den Druckbedingungen, die im Zylinder herrschen, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet.

Das Einspritzen des Kraftstoffes erfolgt - zumindest in etwa - bei den Druckbedingungen, die vorliegen, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Dies bedeutet, daß beim Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder zumindest der annähernd größter Teil des Kraftstoffs verdampfen wird.

Aufgrund dieser durch die Zufuhr von thermischer Ener­ gie erreichten Verdampfung des Kraftstoffs bei der Einspritzung in den Zylinder werden sehr vorteilhafte Voraussetzungen für die Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine geschaffen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß aufgrund der Zufuhr von thermischer Energie eine Verdampfung des Kraftstoffs sofort nach dem Einspritzen in den Zylinder erfolgt. Der Kraft­ stoffdruck, welcher zuvor in der Rail benötigt würde, um den Kraftstoff beim Einspritzen möglichst ideal zu zerstäuben, kann stark abgesenkt werden. Dies ermög­ licht kostengünstigere, einfachere und weniger war­ tungsanfällige Einzelelemente und Verbindungsleitun­ gen, wobei insbesondere die Dichtungselemente und die den erforderlichen Druck erzeugende Kraftstofför­ dereinrichtung in sehr vorteilhafter Art und Weise vereinfacht werden können.

Die Erfindung kann prinzipiell für alle Typen von Ein­ spritzventilen bzw. Einspritzdüsen eingesetzt werden. Die nach außen oder innen öffnenden Nadeln der Ein­ spritzventile können dabei sowohl mechanisch, elektro­ mechanisch (Piezo-Effekt) als auch elektrisch oder hydraulisch betätigbar sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie entsprechende Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der nachfolgenden Zeichnungen prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist eine erste mögliche Ausführungsform ei­ ner Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei ist eine Einspritzdüse 1 bzw. ein Einspritzventil 1 erkennbar, welches eine Kraftstoffzufuhrleitung 2 von einer Rail 3 aufweist. Mittels der Einspritzdüse 1 erfolgt eine Direktein­ spritzung von Kraftstoff, wie z. B. Diesel oder Benzin, in einen Zylinder 4 einer Brennkraftmaschine. In dem Zylinder 4 ist ein Kolben 5 prinzipmäßig angedeutet, welcher im Betrieb zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt oszilliert.

Der dem Zylinder 4 zugewandte Bereich des Einspritz­ ventils 1 zeigt eine elektrische Widerstandsheizung 6a, welche durch eine Heizwendel prinzipmäßig angedeu­ tet ist. Der der Rail 3 zugewandte Bereich des Ein­ spritzventils 1 bzw. der Kraftstoffzufuhr 2 zeigt eine vergleichbare elektrische Widerstandsheizung 6b. Die elektrischen Widerstandsheizungen 6a, 6b sind über Stromleitungen 7 mit einer Batterie 8 verbunden.

Dabei sind prinzipiell mehrere Ausführungsformen der Erfindung möglich, so daß sowohl die elektrische Wi­ derstandsheizung 6a und die elektrische Wider­ standsheizung 6b als auch jeweils nur eine der beiden Widerstandsheizungen 6a oder 6b vorhanden sein kann.

Durch zumindest eine der elektrischen Widerstandshei­ zungen 6a, 6b wird der Kraftstoff, welcher sich in den jeweils zugeordneten kraftstofführenden Bereichen 9a, 9b des Einspritzventils 1 befindet, auf eine Tempera­ tur aufgeheizt, die oberhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den Druckbedingungen liegt, welche zu dem Zeitpunkt herrschen, wenn sich der Kol­ bens 5 im oberen Totpunkts des Zylinders 4 befindet.

Gleichzeitig wird die Temperatur des Kraftstoffs in dem Einspritzventil 1 jedoch unterhalb der Siedetempe­ ratur des Kraftstoffs bei den in der Rail 3 vorliegen­ den Druckbedingungen gehalten.

Wird Kraftstoff aus dem Einspritzventil 1 z. B. durch ein Zurückziehen einer Nadel 10 in den Zylinder 4 ein­ gespritzt, so wird der eingespritzte Kraftstoff auf­ grund seiner durch die Widerstandsheizungen 6a, 6b vorgegebene Temperatur zu seinem wenigstens annähernd größten Teil sofort verdampfen. Es kann dann, je nach eingesetztem Motortyp, eine Verbrennung aufgrund einer Selbstzündung oder Fremdzündung erfolgen.

Die Drücke in der Rail 3, in der Kraftstoffzufuhr 2 und in dem Einspritzventil 1 können dabei geringer gewählt sein als dies bei allen derzeit bekannten nach dem Common-Rail-Prinzip arbeitenden Motoren der Fall ist.

Die zugeführte thermische Energie, insbesondere wenn die Zufuhr in dem dem Zylinder 4 zugewandten Bereich des Einspritzventils 1, also über die elektrische Wi­ derstandsheizung 6a erfolgt, erhöht damit theoretisch nicht nur die Temperatur des kurz vor der Einspritzung stehenden Kraftstoffs, sondern auch die des Kraft­ stoffs in der gesamten Rail 3. Diese Problematik kann in der Praxis jedoch annähernd vernachlässigt werden, da der Kraftstoff selbst im allgemeinen ein schlechter Wärmeleiter ist, so daß sich die gesamte Rail 3 auf­ grund der thermischen Zufuhr von Energie in dem dem Zylinder 4 zugewandten Bereich des Einspritzventils 1 nicht entscheidend auswirkt. Durch den geringen Innen­ durchmesser der Kraftstoffzufuhr 2 und der Kraft­ stoffleitungen im Inneren des Einspritzventils 1 kann auch ein konvektiver Wärmeaustausch praktisch annä­ hernd ausgeschlossen werden. Es wird also in der Pra­ xis nur diejenige Menge an Kraftstoff erwärmt werden, welche jeweils zur direkten Einspritzung in den Zylin­ der 4 ansteht.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Er­ findung, die jedoch auf demselben Funktionsprinzip bzw. demselben Verfahren beruht. Statt der elektri­ schen Widerstandsheizungen 6a, 6b sind hier jedoch Wärmeübertragungseinrichtungen 11a, 11b eingesetzt, von welchen die Zufuhr von thermischer Energie auf den Kraftstoff in den jeweils zugeordneten kraftstoffüh­ renden Bereichen 9a, 9b mittels eines Wärmetransport­ mediums, insbesondere eines Fluids, erfolgt. Statt der Stromleitungen 7 weist der Aufbau gemäß Fig. 2 deshalb Leitungselemente 12 auf, in welchen das Wärmetrans­ portmedium zirkuliert. Die Zirkulation kann dabei auf­ grund von temperaturbedingten Dichteunterschieden in dem Wärmetransportmedium selbsttätig erfolgen oder durch eine Fluidfördereinrichtung 13 aufrecht erhalten werden.

Die thermische Energie, welche das Wärmetransportmedi­ um in den Wärmeübertragungseinrichtungen 11a und/oder 11b auf den Kraftstoff überträgt, stammt dabei aus dem Abgas der Brennkraftmaschine selbst. Dazu befindet sich in dem Bereich eines Abgasauslasses 14 bzw. eines Abgaskrümmers 14 eine Wärmetauschereinrichtung 15, in deren Bereich das Wärmetransportmedium thermische Energie aus dem den Abgasauslaß 14 durchströmenden, heißen Abgas des bzw. der Zylinder 4 der Brennkraftma­ schine bezieht.

Das weitere Funktionsprinzip sowie das Vorhandensein der Wärmeübertragungseinrichtung 11a und/oder der Wär­ meübertragungseinrichtung 11b mit den Leitungselemen­ ten 12 und der Wärmeaustauscheinrichtung 15, im Prin­ zip also einem Heatpipe-System, gilt dabei analog dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der elektrischen Widerstandsheizung 6a und/oder 6b. Aller­ dings kann mittels der Heatpipe thermische Energie aus der Abwärme genutzt werden.

Auch die zur Verdichtung der Kraftstoffs in der Rail benötigte Energie wird bei dem beschriebenen Verfahren geringer ausfallen, so daß, insbesondere auch bei der Variante mittels der Heatpipe, der Gesamtenergiebedarf der Common-Rail-Brennkraftmaschine verbessert werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben einer Common-Rail-Brenn­ kraftmaschine, wobei eine Kraftstoffdirektein­ spritzung in wenigstens einen Zylinder, in welchem ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und ei­ nem unteren Totpunkt oszilliert, durch wenigstens ein zwischen dem Zylinder und einer Rail angeord­ netes Einspritzventil erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Zufuhr thermischer Energie in den Be­ reich des Einspritzventils (1) die Temperatur des einzuspritzenden Kraftstoffs derart erhöht wird, daß sie oberhalb der Siedetemperatur des jeweili­ gen Kraftstoffs bei den jeweiligen Druckbedingun­ gen im Zylinder (4), wenn der Kolben (5) sich im Totpunkt befindet, liegt, aber unterhalb der Sie­ detemperatur des jeweiligen Kraftstoffs bei den jeweiligen Druckbedingungen, welche zum jeweils selben Zeitpunkt in der Rail (3) herrschen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der thermischen Energie in dem dem Zy­ linder (4) zugewandten Bereich des Einspritzven­ tils (1) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der thermischen Energie in dem der Rail (3) zugewandten Bereich des Einspritzventils (1) erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (1) wenigstens eine elektri­ sche Widerstandsheizung (6a, 6b) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektrischen Widerstandsheizungen (6a) in dem dem Zylinder (4) zugewandten Bereich des Ein­ spritzventils (1) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektrischen Widerstandsheizungen (6b) im Bereich des Kraftstoffeintritts in das Einspritz­ ventil (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (1) wenigstens eine Wärmeüber­ tragungseinrichtung (11a, 11b) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Wärmeübertragungseinrichtung (11a, 11b) Leitungselemente (12) aufweist, welche ein zirkulierendes Wärmetransportmedium aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransportmedium mit wenigstens einer Wär­ metauschereinrichtung (15) im Bereich eines Abgas­ auslasses (14) des wenigstens einen Zylinders (4) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungselemente (12) wenigstens eine Fluid­ fördereinrichtung (13) aufweisen.