DE10014553C2 - Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremd­ gezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Ein Injektor spritzt bei der inneren Gemischbildung Kraftstoff in einen Brennraum, der innerhalb jedes Zylinders der Brennkraftmaschine von einem Kolben begrenzt wird. Zur inneren Gemischbildung mit dem eingespritzten Kraftstoff wird Verbrennungsluft separat über einen Einlaßkanal dem Brennraum zugeführt. Im Schichtladungsbetrieb wird der Kraftstoff zu einem späten Zeitpunkt während des Kompressionshubes des Kolbens in den Brennraum eingespritzt und mit der Verbrennungsluft eine zentrale Gemischwolke gebildet, welche von magerem Gemisch oder sogar im wesentlichen kraftstofffreier Verbrennungsluft umgeben ist. Auf diese Weise ist in weiten Kennfeldbereichen ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit insgesamt magerer Gemischzusammensetzung möglich und so der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert. Bei direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen ist bei der Konfiguration der Gemischwolke im Brennraum zu gewährleisten, daß zündfähiges Gemisch mit etwa stöchiometrischem 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 Gemischwolke zurückzuführen sind. Die fetten Gemischzonen mit unerwünscht hoher Kraftstoffkonzentration entstehen aufgrund der geringen Eindringtiefe des eingespritzten Kraftstoffes in den Brennraum gegenüber hohem Zylinderdruck. Eine Anhebung des Einspritz­ druckes 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. Darüber 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.

In der DE 195 48 526 A1 ist ein Einspritzventil mit einem konisch ausgebildeten Ventilglied offenbart, das von außen an einem in einer Abspritzöffnung ausgebildeten Ventilsitz anliegt, bei dem sich durch einen elektromechanischen Wandler das den Wandler beaufschlagende elektrische Signal praktisch trägheitslos in eine mechanische Bewegung umwandeln lässt, die hinsichtlich Amplitude und zeitlichem Ablauf präzise steuerbar ist. Die Abspritzmenge wird mit Hilfe der Ansteuerung des elektromechanischen Wandlers annähernd proportional zum in der Arbeitskammer herrschenden Druck eingestellt, wobei der Einspritzzeitpunkt durch die Ansteuerung des elektromechanischen Wandlers vorgegeben werden kann, und je Arbeitstakt eine oder mehrere Einspritzungen möglich sind.

Die DE 39 36 619 A1 offenbart ein Verfahren für selbstzündende Verbrennungsmotoren, mit dem durch die Ansteuerung eines Stell­ gliedes des Einspritzventils mittels einer Elektronik versucht wird, den Bewegungsablauf einer mit dem Stellglied gekoppelten Düsennadel derart zu variieren, dass der zeitliche Brennverlauf entsprechend einer gewünschten Form zu gestalten. Dabei wird in Verbindung mit einem magnetostriktiven Stab die Gesamtein­ spritzdauer in kleinere Abschnitte zerlegt.

Aus der DE 196 02 065 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem die gesamte einzuspritzende 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 Zusammensetzung vor.

Die DE 197 07 811 A1 sieht zur Reduzierung der Stickstoffoxide im Abgas einer Kraftstoff einspritzenden Brennkraftmaschine 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 Verbrennung notwendigen Kraftstoffteilmenge zu beginnen. Gegebenenfalls 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 (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einem Injektor (2), welcher Kraftstoff in mindestens zwei Teilmengen in einen innerhalb eines Zylinders (3) von einem Kolben (5) begrenzten Brennraum (4) einspritzt, dem über einen Einlasskanal (10) Verbrennungsluft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (2) während eines Einspritzvorganges in einer vorgegebenen Taktfolge vielfach geöffnet und geschlossen wird und den Kraftstoff mittels einer nach außen öffnenden Einspritzdüse (15) in einem Kraftstoffstrahl, wobei der Kraftstoffstrahl die Form eines Hohlkegelstrahls (8) hat, in den Brennraum (4) einspritzt, so dass die Elektroden (7) einer Zündkerze (6) etwa im Kegelmantelbereich des Kraftstoffstrahls liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Einspritzungen (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 ein Verhältnis (t₁/t₀) der Dauer der Einspritzungen (t₁) zu der Dauer der Unterbrechungen (t₀) der Einspritzung während des gesamten Einspritzvorganges gleich ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Einspritzungen (t₁) bei geöffnetem Injektor (2) und die Dauer der Unterbrechungen (t₀) der Einspritzung durch Schließen des Injektors (2) von einer Steuereinheit (14) innerhalb der Taktfolge variabel eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Einspritzungen (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 Einspritzungen (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 ein Verschlussglied des Injektors (2) piezoelektrisch betätigt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (15) des Injektors (2) maximal 10 mm von der Zylinderachse entfernt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenmulde im Boden des Kolbens (5) eine maximale Tiefe von 2 mm aufweist.