DE10014553A1 - Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Otto-BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine wird Kraftstoff von einem Injektor (2) in einen Brennraum (4) eingespritzt, dem über einen Einlaßkanal (10) Verbrennungsluft separat zugeführt wird. DOLLAR A Um die Abgasemission der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine (1) zu reduzieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Injektor (2) während eines Einspritzvorganges in einer vorgegebenen Taktfolge vielfach zu öffnen und zu schließen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer di
rekteinspritzenden Brennkraftmaschine der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Ein Injektor spritzt bei der inneren Gemischbildung Kraft
stoff in einen Brennraum, der innerhalb jedes Zylinders der
Brennkraftmaschine von einem Kolben begrenzt wird. Zur in
neren Gemischbildung mit dem eingespritzten Kraftstoff wird
Verbrennungsluft separat über einen Einlaßkanal dem Brenn
raum zugeführt. Im Schichtladungsbetrieb wird der Kraft
stoff zu einem späten Zeitpunkt während des Kompressionshu
bes des Kolbens in den Brennraum eingespritzt und mit der
Verbrennungsluft eine zentrale Gemischwolke gebildet, wel
che von magerem Gemisch oder sogar im wesentlichen kraft
stofffreier Verbrennungsluft umgeben ist. Auf diese Weise
ist in weiten Kennfeldbereichen ein Betrieb der Brennkraft
maschine mit insgesamt magerer Gemischzusammensetzung mög
lich und so der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine
reduziert. Bei direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschi
nen ist bei der Konfiguration der Gemischwolke im Brennraum
zu gewährleisten, daß zündfähiges Gemisch mit etwa stöchio
metrischem Kraftstoff/Luft-Verhältnis an den Elektroden der
Zündkerze vorliegt.
Im Betrieb von Brennkraftmaschinen und insbesondere fremd
gezündeter Brennkraftmaschinen treten bei später Kraft
stoffeinspritzung Schwarzrauchemissionen auf, welche unter
anderem auf fette Gemischzonen in der kompakten Gemisch
wolke zurückzuführen sind. Die fetten Gemischzonen mit un
erwünscht hoher Kraftstoffkonzentration entstehen aufgrund
der geringen Eindringtiefe des eingespritzten Kraftstoffes
in den Brennraum gegenüber hohem Zylinderdruck. Eine Anhe
bung des Einspritzdruckes kann hier keine Abhilfe schaffen,
da die Eindringtiefe des Kraftstoffes erhöht wird, jedoch
aufgrund des höheren Durchsatzes im Injektor der Kraftstoff
wiederum in einer kompakten Wolke konzentriert wird. Dar
über hinaus wird im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine
mit annähernd homogener Gemischbildung keine gleichmäßige
Kraftstoffverteilung im Brennraum erreicht, was zu hohen
Schadstoffemissionen, insbesondere Kohlenwasserstoffe und
Kohlenmonoxid und zu niedriger Motorleistung führt.
Aus der DE 195 02 065 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb ei
nes Verbrennungsmotors bekannt, bei dem die gesamte einzu
spritzende Kraftstoffmenge in eine Hauptkraftstoffmenge und
eine später einzuspritzende Zündkraftstoffmenge geteilt
wird. Dadurch wird die gewünschte stabile Entflammung bei
guter Kraftstoffaufbereitung erreicht, wobei die beiden
Mengen zeitversetzt eingespritzt werden. Zum Zündzeitpunkt
liegen zwei Gemischwolken unterschiedlicher Größe und Zu
sammensetzung vor.
Die DE 197 07 811 A1 sieht zur Reduzierung der Stickstoff
oxide im Abgas einer Kraftstoff einspritzenden Brennkraft
maschine vor, in einer Früheinspritzung zur Erzeugung von
Kohlenwasserstoffradikalen eine erste Kraftstoffmenge ein
zuspritzen und in nicht geringem Abstand nach dem Ende der
Früheinspritzung die Haupteinspritzung der für die Verbren
nung notwendigen Kraftstoffteilmenge zu beginnen. Gegebe
nenfalls kann die Früheinspritzung zusätzlich vor einer der
Haupteinspritzung als abgesetzte Teileinspritzung vorausei
lenden Voreinspritzung erfolgen, so daß insgesamt drei Einspritzvorgänge
mit jeweils kontinuierlichem Kraftstoffein
trag in den Brennraum erfolgen.
Bei Mehrfacheinspritzungen mit Vor-, Haupt- und ggf. Nach
einspritzung liegen zwischen den einzelnen Einspritzvorgän
gen lange Zeitintervalle, in denen die Gemischwolke zerfal
len kann. Die Folge ist ein Anstieg der Kohlenwasserstoffe
mission.
Bei dem Betriebsverfahren nach der DE 196 02 065 A1 wird
bei kürzerer Unterbrechung zwischen Haupt- und Zündein
spritzung die Bildung zweier voneinander getrennter Kraft
stoffwolken herbeigeführt, welche jeweils hohe Kraftstoff
konzentrationen aufweisen. Dabei wird die Kohlenwasser
stoffemission erhöht und es besteht zudem die Gefahr uner
wünschter Kohlenmonoxidemission.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Brenn
kraftmaschine zu schaffen, mit dem die Abgasemission der
Brennkraftmaschine reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, den Injek
tor während eines Einspritzvorganges in einer vorgegebenen
Taktfolge vielfach zu öffnen und zu schließen. Bei rascher
Taktung des Injektors wird der Kraftstoffstrahl kurzzeitig
unterbrochen und Verbrennungsluft kann in die Wolke einge
lagert werden. Auf diese Weise kann die Konzentration durch
Vorgabe einer geeigneten Taktfolge der Öffnungs- und
Schließzeitpunkte des Injektors die Konzentration des
Kraftstoffes innerhalb der Gemischwolke durch geeignete
Einstellung der Dauer der Einspritzung und der Unterbrechungen
der Einspritzung eingestellt werden. Zur Durchfüh
rung des Verfahrens ist ein schnelltaktbarer Injektor ge
eignet wie etwa ein Injektor mit einem Piezoelement als
Stellglied oder ein Schnarrventil. Mit der erfindungsgemä
ßen Taktung des Einspritzvorganges und dem Eintrag der vor
gesehenen Kraftstoffmenge in vielen Teilmengen kann auch im
Vollastbetrieb bei homogener Gemischbildung eine gleichmä
ßigere Gemischzusammensetzung erreicht werden, da der zur
Gemischbildung zur Verfügung stehende Zeitraum durch die
Einlagerung von Luft in der Gemischwolke besser genutzt
wird als bei kontinuierlicher Kraftstoffeinspritzung. Durch
die Taktung des Einspritzvorganges wird insbesondere im
Schichtladungsbetrieb einer Otto-Brennkraftmaschine die
Schwarzrauchemission ohne die bisher nicht zu vermeidende
Kohlenwasserstoffemission verringert.
Des weiteren wird durch die vielfache Unterbrechung des
Einspritzvorganges bei getakteter Einspritzung die Dauer
der Einspritzung der gesamten Kraftstoffmenge verlängert,
die Kraftstoffkonzentration innerhalb der Gemischwolke
nicht. Im Vollastbetrieb läßt sich so bei Kraftstoffein
spritzung während des Saughubes eine verbesserte Homogeni
sierung des Gemisches und somit eine höhere Leistungsaus
beute erzielen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt
durch eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftma
schine,
Fig. 2 - Fig. 4
verschiedene Taktungen des Injektors in grafischen
Darstellungen der Kraftstoffeinspritzung über die
Zeit.
Fig. 1 zeigt eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftma
schine 1, in deren Zylinder 3 ein längsbeweglicher Kolben 5
angeordnet ist und einen Brennraum 4 begrenzt. Ein Zylin
derkopf 12 liegt auf dem Zylinder 3 auf und schließt mit
seiner innen liegenden Seite, die im vorliegenden Ausfüh
rungsbeispiel als kegelförmiges Brennraumdach 11 gestaltet
ist, den Brennraum ab. Im Zylinderkopf 12 ist ein Injektor
2 angeordnet, welcher wie im vorliegenden Ausführungsbei
spiel zweckmäßig in zentraler Lage im Scheitel des Brenn
raumdaches 11 auf der Zylinderachse 13 des Zylinders 3
liegt. Die Einspritzdüse 15 des Injektors 2 sollte maximal
10 mm von der Zylindermittelachse 13 entfernt liegen.
Zur Kraftstoffabgabe in den Brennraum 4 wird der Injektor 2
von einer Steuereinheit 14 geöffnet. Der eingespritzte
Kraftstoff bildet mit separat über einen Einlaßkanal 10 im
Zylinderkopf 12 zugeführter Verbrennungsluft ein zündfähi
ges Gemisch. Im Zylinderkopf 12 ist des weiteren eine Zünd
kerze 6 angeordnet, deren Elektroden 7 in den Brennraum
einragen. Der Kraftstoff wird von dem Injektor 2 in einem
Hohlkegelstrahl 8 in den Brennraum 4 eingespritzt, wobei
die Elektroden 7 der Zündkerze 6 etwa im Kegelmantelbereich
des Kraftstoffstrahls 8 liegen. Bei dem strahlgeführten Ge
mischbildungskonzept wird im Schichtladungsbetrieb der
Brennkraftmaschine bei Kraftstoffeinspritzung während des
Kompressionshubes des Kolbens 5 eine geschichtete Gemisch
wolke 9 im Brennraum 4 mit nach außen abfallenden Kraft
stoffkonzentrationen gebildet, wobei an den Elektroden 7
zündfähiges Gemisch im Bereich des stöchiometrischen Ver
hältnisses vorliegt. Durch den Hohlkegelstrahl ergibt sich
dabei auch im Bereich der Zylindermittelachse, also im Zen
trum der Gemischwolke, eine abnehmende Gemischkonzentrati
on. Der Schichtladungsbetrieb mit später Kraftstoffein
spritzung während des Kompressionshubes des Kolbens 5 ist
in unteren und mittleren Lastbereichen der Brennkraftma
schine 1 vorgesehen und ermöglicht einen geringen Kraft
stoffverbrauch. In höheren Lastbereichen und bei Vollast
wird der Kraftstoff vorzugsweise während des Saughubes des
Kolbens 5 eingespritzt, um mit homogener Gemischbildung ei
ne höhere Leistungsausbeute zu erzielen. Der Injektor 2
wird von einer Steuereinheit 14 über ein entsprechendes
Steuersignal geöffnet und geschlossen, wobei die Steuerein
heit 14 die Einspritzzeitpunkte in Abhängigkeit des Last
punktes oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Injektor während eines
Einspritzzeitpunktes in einer vorgegebenen Taktfolge viel
fach zu öffnen und zu schließen, so daß der gesamte zur Ge
mischbildung vorgesehene Kraftstoff in vielen kurzen Teil
einspritzungen in den Brennraum gebracht wird. Der gesamte
Einspritzvorgang wird dabei vielfach zeitlich unterbrochen.
Während der Unterbrechungen kann Verbrennungsluft in die
Gemischwolke 9 eindringen und so eine optimale Gemischauf
bereitung erfolgen. Dabei werden örtliche Kraftstoffkonzen
trationen vermieden und der bei Verbrennung fetter Gemische
auftretenden hohen Schadstoffemission im Abgas der Brenn
kraftmaschine entgegengewirkt.
Der Durchsatz des Injektors 2 wird im wesentlichen von dem
anstehenden Kraftstoffdruck und der Öffnungsdauer des In
jektors bestimmt. Durch die vielfache, schnelle Unterbre
chung des gesamten Einspritzvorganges durch Taktung des In
jektors steht für die Gemischaufbereitung eine längere
Zeitdauer zur Verfügung, in der die vorgesehene Kraftstoff
menge eingespritzt wird. Die erfindungsgemäße Verlängerung
des gesamten Einspritzvorganges erfolgt unabhängig von dem
gewählten Einspritzdruck, so daß ein im Hinblick auf opti
male Ausbildung der Kraftstofftropfen geeigneter Einspritz
druck eingestellt werden kann. Durch die schnelle Taktung
des Injektors 2 kann zum einen im Schichtladungsbetrieb ei
ne höhere Luftmenge in die Gemischwolke 9 während der Ein
spritzunterbrechungen eingebracht werden. Im Vollastbetrieb
der Brennkraftmaschine mit Saughubeinspritzungen führt die
Verlängerung des gesamten Einspritzvorganges zu einer bes
seren Homogenisierung des Kraftstoff/Luft-Gemisches im
Brennraum 4.
Der Injektor 2 weist eine Einspritzdüse 15 auf, die zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens in
rascher Taktfolge schließbar ist und ebenso schnell wieder
geöffnet werden kann. Besonders gute Resultate werden mit
Injektoren 2 erreicht, welche eine Einspritzdüse 15 mit ei
nem nach außen öffnenden, das heißt zur Öffnung in den
Brennraum ausschiebbaren Ventilglied aufweisen. Der gewähl
te Injektor 2 soll vorzugsweise einen Hohlkegelstrahl 8 er
zeugen. Die Einspritzdüse 15 des Injektors 2 öffnet zur Er
zeugung eines kräftigen Hohlkegelstrahls 8 nach außen, das
heißt, daß sich das Verschlußglied des Injektors zur Öff
nung in den Brennraum schiebt. Als schnellschaltbarer und
somit im erfindungsgemäßen Sinn taktbarer Injektor kommt
insbesondere ein Injektor mit einem Piezoelement als Stell
glied für die Düsennadel in der Einspritzdüse 15 in Be
tracht. Ein solcher Injektor mit einem Piezoaktuator ist
beispielsweise aus der DE 195 48 526 A1 bekannt. Auch durch
Einsatz eines Schnarrventiles kann die Einspritzung in ra
scher Folge vielfach unterbrochen werden und in den kurz
zeitigen Einspritzunterbrechungen Luft in den bereits ein
gespritzten Kraftstoff eingebettet werden.
Die Taktfolge wird von der Steuereinheit 14 eingestellt,
wobei auch verschiedene Taktfolgen für die Dauer der Ein
spritzungen und die Dauer der Unterbrechungen der Einsprit
zung für unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brenn
kraftmaschine 1 vorgesehen sein können. Die Taktfrequenz
ist von der Steuereinheit 14 variabel einstellbar und kann
mit dem Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 1 abge
stimmt werden.
Zur Unterstützung der Gemischbildung ist im Boden des Kol
bens 5 eine Kolbenmulde eingelassen, deren Tiefe zweckmäßig
weniger als 2 mm beträgt.
Fig. 2 zeigt in grafischer Darstellung eine vorteilhafte
Möglichkeit zur Taktung der Einspritzung, wobei der Injek
tor mit dem Nadelhub H für ein Zeitintervall t1 zur Ein
spritzung geöffnet wird. Zwischen den Öffnungsintervallen
t1 wird der Einspritzvorgang für die Zeitdauer t0 unterbro
chen und der Injektor kurzzeitig geschlossen (Nadelhub H =
0). Bei der hier gezeigten Taktung ist die Dauer t1 bei ge
öffnetem Injektor und die Dauer t0 der Unterbrechungen der
Einspritzungen durch Schließen des Injektors innerhalb der
Taktfolge jeweils gleich. Die Zeitdauern der Einspritzung
t1 und der Unterbrechung t0 bleiben während der gesamten
Einspritzphase konstant. Der besseren Übersicht halber sind
in der Zeichnungsfigur neun Einspritzvorgänge dargestellt,
es können jedoch bei entsprechend rascher Taktung erheblich
mehr Einspritzvorgänge und entsprechende Unterbrechungen
vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt eine alternative Taktfolge der Einspritzungen
t1 bei geöffnetem Injektor und Unterbrechungen t0 der Ein
spritzung, bei der das Verhältnis der Dauer der Einsprit
zungen t1 zu der Dauer der Unterbrechungen t0 der Einsprit
zung gleich ist. Das Verhältnis t1/t0 bleibt während der
gesamten Einspritzphase gleich, wobei die absoluten Zeit
dauern während der Einspritzphase verändert werden. Im ge
zeigten Ausführungsbeispiel ist die Einspritzphase in drei
Abschnitte geteilt, wobei in dem Einspritzintervall I zu
Beginn der Kraftstoffeinspritzung die Zeitdauer der Öffnung
des Injektors t1 und entsprechend die nachfolgende Unter
brechung t0 länger ist als im darauffolgenden Einspritzin
tervall II. Im Einspritzintervall III ist die Zeitdauer der
Einspritzungen und Unterbrechungen der Einspritzung inner
halb der Taktfolge weiter verkürzt. Grundsätzlich kann es
vorteilhaft sein, die Zeitdauer der Einspritzungen t1 und
Unterbrechungen t0 der Einspritzung innerhalb der Taktfolge
mit zunehmender Einspritzzeit zu verkürzen, wobei auch
Verlängerungen der Taktfrequenz in Abstimmung mit der
Motorcharakteristik zweckmäßig sein können. Auch sind mehr
als 3 unterschiedliche Einspritzintervalle denkbar.
Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Taktfolge, bei der
die Dauer der Einspritzung t1 bei geöffnetem Injektor und
die Dauer der Unterbrechungen t0 der Einspritzung durch
Schließen des Injektors von der Steuereinheit des Injektors
variabel eingestellt wird. Dabei können Zeitdauer der Ein
spritzungen und der Unterbrechungen in der Taktfolge zur
Erreichung einer optimalen Gemischbildung der Motorcharak
teristik angepaßt werden. Im vorliegenden Ausführungsbei
spiel sind die Zeitdauern der Einspritzungen t1 und der Un
terbrechungen t0 der Einspritzung im Fortlauf der Taktfolge
stetig verkürzt, wobei aufeinanderfolgende Unterbrechungen
t0 oder Einspritzungen t1 auch gleich sein können. Auch ei
ne Verlängerung der Taktfrequenz kann in Abhängigkeit der
Motorcharakteristik zweckmäßig sein.
Claims (11)
1. Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Brenn
kraftmaschine, wobei ein Injektor (2) Kraftstoff in ei
nen innerhalb eines Zylinders (3) von einem Kolben (5)
begrenzten Brennraum (4) einspritzt und dem Brennraum
(4) über einen Einlaßkanal (10) Verbrennungsluft zuge
führt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (2) während
eines Einspritzvorganges in einer vorgegebenen Takt
folge vielfach geöffnet und geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Einspritzun
gen (t1) bei geöffnetem Injektor (2) und die Dauer der
Unterbrechungen (t0) der Einspritzung durch Schließen
des Injektors (2) innerhalb der Taktfolge jeweils
gleich sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (t1/t0) der
Dauer der Einspritzungen (t1) zu der Dauer der Unter
brechungen (t0) der Einspritzung während des gesamten
Einspritzvorganges gleich ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Einspritzun
gen (t1) bei geöffnetem Injektor (2) und die Dauer der
Unterbrechungen (t0) der Einspritzung durch Schließen
des Injektors (2) von einer Steuereinheit (14) inner
halb der Taktfolge variabel eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Einspritzun
gen (t1) und/oder die Dauer der Unterbrechungen (t0)
der Einspritzung in der Taktfolge im Verlauf des Ein
spritzvorganges verringert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Einspritzun
gen (t1) und/oder die Dauer der Unterbrechungen (t0)
der Einspritzung in der Taktfolge im Verlauf des Ein
spritzvorganges verlängert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in einem
Hohlkegelstrahl (8) in den Brennraum (4) eingespritzt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse (15) des Injek
tors (2) nach außen öffnet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußglied des In
jektors (2) piezoelektrisch betätigt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (15) des
Injektors (2) maximal 10 mm von der Zylinderachse ent
fernt ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbenmulde im Boden
des Kolbens (5) eine maximale Tiefe von 2 mm aufweist.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE10014553A DE10014553C2 (de) | 2000-03-23 | 2000-03-23 | Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
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