DE102005042106A1

DE102005042106A1 - Betriebsverfahren zur Direkteinspritzung von Brennstoffen in einer Verbrennungs-Kraftmaschine

Info

Publication number: DE102005042106A1
Application number: DE102005042106A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Tim Dr. Schwebel; Carsten Wallenhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines direkt in einen Brennraum (8) einspritzenden Injektors (5) zur Zufuhr von vorgegebenen Raten von Brennstoff, wobei der Injektor zumindest folgende Elemente aufweist: DOLLAR A - ein bis in den Brennraum reichendes Gehäuse (11), DOLLAR A - ein am brennraumseitigen Ende des Gehäuses (11) zwischen dem Gehäuse und einer Düsennadel (9) dargestelltes, nach außen öffnendes Brenngas-Einlassventil (14), DOLLAR A - einen elektromechanischen Festkörperantrieb (6), der an dem Ende der Düsennadel (9), welches dem Brennraum abgewandt ist, angeordnet ist, und DOLLAR A - wobei der Injektor derart elektrisch angesteuert wird, dass er im Wesentlichen während eines Arbeitstaktes eines Motors einen kontinuierlichen Einspritzverlauf aufweist. DOLLAR A Produkt: Direkteinspritzender Brenngasmotor.

Description

Die Erfindung betrifft mit Brennstoffen, insbesondere mit gasförmigen Brennstoffen, betriebene Verbrennungs-Kraftmaschinen. Hierzu zählen Motoren, bei denen die Zufuhr von Brenngas in einen Verbrennungsraum durch Direkteinspritzung/Direkteinblasung unter erhöhtem Druck geschieht.

Bei Hubkolben/Verbrennungsmotoren mit oder auch ohne Direkteinspritzung, die mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden, wie beispielsweise Benzin oder Diesel, ist der Einspritz- und Gemischbildungsvorgang im Wesentlichen bereits abgeschlossen, bevor das Gemisch in der Verbrennungskammer bei einem bestimmten Arbeitstakt verbrannt wird. Lediglich beim Dieselmotor kann nach erfolgtem Brennbeginn eingespritzt werden. Während des Verbrennungsschwerpunkts, der mit einem erheblichen Zylinderdruckanstieg verbunden ist, befindet sich auch der Dieselmotor-Injektor, bzw. das -Einspritzventil, in einem geschlossenen Zustand. Die Einspritzung erfolgt daher gegen moderate Zylinderdrücke von ca. 0,8 bis 30 bar. Während des Arbeitstaktes werden bei modernen Motoren mit hoher Leistungsdichte Zylinderdruckspitzen von bis zu 100 bar oder mehr erreicht. Die weitgehende zeitliche Trennung des Einspritzvorgangs mit der Gemischbildung von der nachfolgenden Verbrennung ist aufgrund der moderaten Flammfront-Geschwindigkeit, vor allem bei flüssigen Brennstoffen, möglich. Die Rate der Energiefreisetzung im Zylinder durch den Verbrennungsvorgang liegt nahe bei der Rate der Energieentnahme durch den Hubkolben. Die für einen Arbeitstakt erforderliche Kraftstoffmenge kann vollständig in den Zylinder eingebracht und anschließend verbrannt werden, ohne dass im Verlaufe des Verbrennungsvorgangs unzulässig hohe, die Motormechanik beschädigende Zylinderdrücke erreicht werden. Dieser Zusammenhang existiert, da während des Brennvorganges bereits eine erhebliche Menge an mechanischer Energie in üblichen Verbrennungsmaschinen entnehmbar ist.

Insbesondere bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung, die mit gasförmigen Brennstoffen betrieben werden, wird die zeitliche Entflechtung der Einspritzung bzw. der Einblasung und die Gemischbildung von der Verbrennung schwierig realisierbar sein. Bei Gas/Luft-Gemischen werden zum Teil sehr hohe Flammenfront-Geschwindigkeiten auftreten. Diese sind mit äußerst schnellen Energie-Freisetzungsraten verbunden. Weitere Nachteile bestehen beispielsweise in sehr hohen Druckgradienten, die ursächlich für einen hohen Verbrennungs-Geräuschpegel sind und zusätzlich hohe Verbrennungstemperaturen erzeugen, die die Bildung erheblicher Mengen von hochgiftigen Stickoxiden begünstigen. Da die Entnahme mechanischer Energie aus dem Motorsystem durch den Hubkolben begrenzt ist, kann diese in solchen Fällen nicht mehr der Energiefreisetzung durch die Verbrennung folgen. Es ergibt sich als Lösung lediglich die Reduktion der eingespritzten Brenngasmenge. In einem ausgewogenen System sollten also die Energie-Freisetzung auf der chemischen Seite mit der mechanischen Entnahme auf der motormechanischen Seite mit verträglichen Belastungen insgesamt optimiert sein. Bei reduzierter Brenngasmenge wird jedoch im Vergleich zu hubraumgleichen Benzin- oder Dieselmotoren nur noch eine wesentlich geringere Leistungsausbeute erzielt.

Zur Steuerung des Zylinder-Innendrucks kann eine Steuerung der Einspritzrate vor und während des Brennvorganges eingesetzt werden. Beispielsweise kann zur Steuerung der Energie-Freisetzungsrate im Zylinder und dem damit einhergehenden Zylinderdruckniveau bei einem direkt einblasenden Brenngasmotor die Gesamt-Brenngasmenge in mindestens zwei oder mehr, zeitlich gestaffelte Teilmengen dem Brennraum zugeführt werden. Naturgemäß stellt solch ein Brennverfahren sehr hohe Anforderungen an den Injektor. Erforderlich sind insbesondere hohe Schaltgeschwindigkeiten bzw. eine hohe Schaltdynamik, und die Fähigkeit, gegen den durch die Verbrennung der jeweiligen Teilmenge generierten Zylinderdruck den erforderlichen Brenngasstrom bzw. die Einspritzrate bereitzustellen. Typische Zylinderdrücke erreichen beispielsweise Werte von bis zu 100 bar.

Bisherige Brennverfahrens-Strategien nutzen Mehrfach-Einspritzungen zur Begrenzung der Zylinderspitzendrücke und der Verbrennungsspitzentemperaturen.

Es ist bekannt, dass zur Betätigung einer Düsennadel eines direkt einspritzenden Ventils Festkörperaktoren eingesetzt werden können, die eine sehr hohe Schaltdynamik aufweisen. Somit sind Mehrfacheinspritzungen während des Brennvorgangs unter Einsatz dieser Technik möglich. Bevorzugt kommen piezoelektrische Vielschicht-Aktoren (PMA Piezolelectric Multilayer Actuator) zum Einsatz. Durch den Vielschichtaufbau werden die zur Nutzung des inversen piezoelektrischen Effektes benötigten elektrischen Feldstärken von typischen 2 kV/mm bei einem typischen Schichtabstand von ca. 80 μm bei einer verhältnismäßig geringen Betriebsspannung von 160 V erreicht. Als Antriebselemente sind elektrostriktive oder magnetostriktive Aktoren ebenfalls einsetzbar. Die Festkörperaktoren sind vor allem aufgrund ihrer mechanisch steifen und kräftigen und daher trägheitsarmen, jedoch relativ kurzhubigen Systemeigenschaften in der Lage, eine hohe Ventil-Schaltdynamik zu erreichen. Typische Kennwerte verfügbarer Piezoaktoren für den automobilen Einsatz sind beispielsweise:

Leerlaufauslenkung:	ca. 40-60 μm oder 1,3 % der Aktorlänge bei einer typischen Betriebsspannung von 160 V.
Blockierkraft:	ca. 1200 N–1400 N entsprechend einer
Federrate:	ca. 20 N/μm–60 N/μm.

Zur Erzielung der für den Motorbetrieb erforderlichen Einspritz-Volumenströme ist, ohne konstruktive Änderungen vorzunehmen, bei einem direkt einblasenden Injektor mit unter Druck stehendem Brenngas ein Düsennadel-Öffnungshub von ca. 100–150 μm erforderlich. Begleichende Parameter sind Betriebsdrücke von ca. 100–300 bar und bei rotationssymmetrischen Ventilen Dichtlinien-Durchmesser von ca. 5–8 mm. Für den Ventilantrieb ist daher die Serienschaltung von mindestens zwei handelsüblichen Festkörperaktoren erforderlich. Der Einsatz eines einzigen Festkörperaktors würde eine Sonderbauform erfordern. Über einen Kraft/Weg-Wandler mit moderatem Übersetzungsverhältnis von beispielsweise 1:1,5–1:3 kann eine entsprechende Anpassung zwischen Düsennadel und Aktor vorgenommen werden. Der Kraft/Weg-Wandler kann einerseits als hydraulischer Übersetzer ausgestaltet sein. Eine hydraulische Längenkompensation, die aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungsfaktoren von Festkörperaktor und Ventilgehäuse zur exakten, temperaturunabhängigen Dosierung erforderlich ist, ist zweckmäßigerweise zu integrieren. Alternativ kann ein Hebelübersetzer zum Einsatz kommen. Die thermische Längenkompensation, die bei der Materialauswahl besonderen Wert auf den thermischen Längenausdehnungs-Koeffizienten legt, kann separat angesetzt werden.

Bisher sind Lösungen zur Vermeidung von Zylinderdruckspitzen in Form von Teilmengen-Einspritzungen betrieben worden. Hierdurch kann in gewissen Grenzen der zeitliche Zylinderdruck-Verlauf geglättet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen direkt einspritzenden bzw. einblasenden Injektor derart zu steuern, dass reproduzierbare Einspritzraten über eine entsprechende Düsennadel-Ansteuerung erzielbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass jede diskontinuierliche Brennstoff-Einspritzung zumindest in Teilbereichen nicht nachvollziehbare Einspritzraten verursacht. Somit wird grundsätzlich eine kontinuierliche Einspritzung angewandt, die eine über eine längere Einspritzzeit vorhandene Öffnung der Düsennadel bzw. Öffnung des Injektors vorsieht. Die maximal erforderliche Einspritzrate kann dabei wesentlich geringer ausfallen, da über längere Zeiträume hinweg eingespritzt wird. Gleichzeitig werden hohe Druckspitzen vermieden. Es ergeben sich geringere Zylinderdruckkräfte, die auf den Injektorantrieb zurückwirken. Maßgeblich ist in diesem Zusammenhang, dass eine Rückkoppelung des Zylinderdrucks über die Düsennadel auf den Injektorantrieb zu einer Selbststabilisierung des Brennverlaufs führt. Ein unerwünscht hoher Anstieg des Zylinderdrucks während des Brennvorgangs führt augenblicklich durch druckinduziertes Stauchen des Injektorantriebs zu eine Reduzierung des Düsennadelhubes und damit zur Reduzierung der Einspritzrate. Hierdurch wird die Rate der frei werdenden Verbrennungsenergie augenblicklich abgesenkt. Die Rate der Entnahme von mechanischer Energie bleibt jedoch nahezu unverändert. Somit wird insgesamt der Druckanstieg begrenzt. Die Stärke der Rückkoppelung ist mittels einer Vielzahl von Auslegungsparametern des Injektors, wie z. B. der Antriebssteifigkeit, dem Düsennadelsitzwinkel und dem Dichtlinien-Durchmesser, dem Übersetzungsverhältnis des Kraft/Weg-Transformators oder der Federnrate der Düsennadel, einstellbar. Ein Optimalwert des Rückkoppelungsfaktors zwischen Brennraumdruck und Einspritzrate kann simuliert oder experimentell ermittelt werden.

Im Folgenden werden anhand der begleitenden Figuren die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt einen Querschnitt durch den Brennraum eines Zylinders eines Hubkolbenmotors, der sich im Verdichtungstakt befindet,
2 zeigt den Zündzeitpunkt symbolisiert durch einen Zündfunken an der Zündkerze,
3 zeigt den Arbeitstakt des Motors,
4 zeigt einen Zustand bei der Beendigung des Verbrennungsprozesses, wobei der piezoelektrische Aktor entladen wird und das Einspritz-Ventil schließt.
Die Erfindung nutzt die in einem Verbrennungsmotor auftretende Erscheinung aus, dass eine Rückwirkung des Verbrennungsdruckes auf die am Zylinder angebrachten Stell- oder Versorgungselemente eine Auswirkung auf die Ventilöffnung des Injektors hat.
Dadurch kann insbesondere eine sich selbsttätig stabilisierende kontinuierliche Einspritzung während der Verbrennung erreicht werden. Von Seiten der Steuerung sind somit die Krafteinwirkungen auf die Düsennadel von beiden Seiten zu verarbeiten. Da instationäre Vorgänge auf ein Minimum beschränkt sind, lässt sich dies leicht durchführen. Durch eine Abschätzung durch diese gegenläufige Krafteinwirkung auf die Düsennadel verursachte Stauchung der Düsennadel kann insgesamt die Steuerung einfach darauf ausgelegt werden, den Düsenöffnungs-Querschnitt reproduzierbar einzustellen. Durch die kontinuierliche Einspritzung über längere Zeit, beispielsweise einige Millisekunden, und durch die Abwesenheit ausgeprägter Druckspitzen kann eine thermodynamisch effiziente und gleichzeitig geräuscharme Verbrennung dargestellt werden. Die Anforderung an den Injektor hinsichtlich hoher Einspritzraten bei Gegendruck und gleichzeitig höchster Dynamik können deutlich abgesenkt werden. Insbesondere beim Einsatz von Piezoaktoren als elektromechanischem Aktor entstehen bei Mehrfacheinspritzung während eines Arbeitstaktes erhebliche elektrische Verluste. Bei einer kontinuierlichen Einspritzung kann dies stark reduziert werden. Daher werden auch die Leistungsanforderungen an die elektrische Endstufe geringer.
Insbesondere der Einsatz piezoelektrischer Aktoren gestattet eine direkte Messung des Brennraum-Druckverlaufs während der Einspritzung. Der Brennraumdruck wirkt über die dem Brennraum zugewandte Stirnfläche der Düsennadel als Kraft auf den Kraft/Weg-Transformator, der in dieser Richtung als Kraftverstärker direkt auf den Piezoaktor wirken kann. Der Piezoaktor generiert über den direkten piezoelektrischen Effekt bei Kraftänderungen Ladungsänderungen, die sich proportional zur Kraftänderung verhalten. Die generierten Ladungen können über die Anschlussdrähte am Piezoaktor abgegriffen und gemessen werden und liefern ein kalibrierbares Brennraum-Drucksignal während der Einspritzphase.
In Bezug auf die 1 ist anzumerken, dass ein schematischer Querschnitt durch den Brennraum eines Zylinders eines Viertakt-Hubkolbenmotors dargestellt wird, der sich im Verdichtungstakt befindet. Der Kolben 1 bewegt sich, angedeutet durch den Pfeil, im Zylinder 2 nach oben. Da das Einlassventil 3 und das Auslassventil 4 geschlossen sind, wird das im Brennraum 8 eingeschlossene Volumen des Brennstoffes verdichtet. Während des Ansaug- und/oder des Verdichtungstaktes wird durch den Direktinjektor 5 mit nach außen öffnendem Ventil Brennstoff, insbesondere Brenngas, gegen den vergleichsweise geringen Zylinder-Innendruck eingespritzt. Dies geschieht zur Bereitstellung eines zum Zündzeitpunkt zündfähigen Luft/Gasgemischs.
Der Gas-Direktinjektor, der Brenngas in den Verbrennungsraum einbläst, indem er das Nadelventil öffnet und ein unter Druck stehendes Brenngas zuführt, besteht aus einem elektromechanischen Festkörperantrieb 6, der sich am oberen Ende des Gehäuses 11 abstützt und am entgegen gesetzten Ende auf einen Kraft/Weg-Transformator 10 wirkt, der seinerseits eine Düsennadel 9 bewegt und somit das Ventil öffnet. Über Leitungen 13, die im Gehäuse 11 eingebracht sind, wird der gasförmige Brennstoff vom Injektoreintritt nach unten geleitet bis zu einem Hohlraum zwischen Düsennadel und Gehäuse und darin bis zur Düse weitergeführt.
1 zeigt einen elektromechanischen Festkörperantrieb im angesteuerten Zustand, wobei das Ventil weit geöffnet ist. In diesem Zustand wird Kraftstoff eingespritzt bzw. eingeblasen und es wird ein zündfähiges Gemisch zubereitet.
2 zeigt den Zündzeitpunkt, symbolisiert durch einen Zündfunken an der Zündkerze 7. In diesem Zustand wird weiterhin eingespritzt. Der Kolben befindet sich in der Nähe des oberen Totpunktes, dessen momentane Geschwindigkeit sehr gering ist.
3 zeigt den Arbeitstakt. Aufgrund des Druckanstiegs wird die Düsennadel zurückgedrückt und die Einspritzrate wird reduziert. Gleichzeitig entnimmt der sich abwärts bewegende Kolben mechanische Energie aus dem brennenden Gasgemisch im Brennraum. Aufgrund der Rückkoppelung vom Zylinderdruck auf den Düsennadelhub und damit auf die Einspritzrate stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen der Entnahme mechanischer Energie durch den Kolben und der Zufuhr chemischer Energie durch den Kraftstoff ein. Hierdurch wird ein thermodynamisch günstiger, gleichförmiger, geräuscharmer Verbrennungszustand erreicht. Zur Beendigung des Verbrennungsprozesses wird der elektromechanische Festkörperaktor entladen, wobei er sich verkürzt und das Ventil schließt, wodurch eine weitere Kraftstoffzufuhr unterbunden wird, wie es in 4 dargestellt ist.
Zur Abschätzung in wieweit eine Stauchung der Düsennadel die rückwärtig auf einem Festkörperaktor oder auf einem zwischengeschaltetem Kraft/Weg-Transformator abgestützt ist und andererseits eine Druckbeaufschlagung im Brennraum erfährt, der sich auf die Einspritzrate auswirkt, ist Folgendes anzumerken:
Anhand beispielhafter Dimensionierung der Düsennadel in Verbindung mit einem Kraft/Weg-Transformator kann überschlägig berechnet werden, dass bei Einwirkung eines Gegendruckes vom Brennraum eine Stauchung der Düsennadel und unter Umständen auch eine Stauchung des Aktors, beispielsweise eine Verkürzung des nutzbaren Hubes von 25-50% ergeben kann.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines direkt in einen Brennraum (8) einspritzenden Injektors (5) zur Zufuhr von vorgegebenen Raten von Brennstoff, wobei der Injektor zumindest folgende Elemente aufweist: – ein bis in den Brennraum reichendes Gehäuse (11), – ein am brennraumseitigen Ende des Gehäuses (11) zwischen dem Gehäuse und einer Düsennadel (9) dargestelltes, nach außen öffnendes Brenngas-Einlassventil (14), – einen elektromechanischen Festkörperantrieb (6), der an dem Ende der Düsennadel (9), welches dem Brennraum abgewandt ist, angeordnet ist, – und wobei der Injektor derart elektrisch angesteuert wird, dass er im Wesentlichen während eines Ansaug- und/oder Verdichtungs und eines Arbeits-Taktes eines Motors einen kontinuierlichen Einspritzverlauf aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Brennstoff ein brennbares Gas eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als elektromechanischer Festkörperantrieb mindestens ein piezoelektrischer Aktor eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Injektor zusätzlich zwischen Aktor und Düsennadel ein Kraft/Weg-Transformator eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem ein piezoelektrischer Aktor durch den direkten piezoelektrischen Effekt bei der Druckeinwirkung über die Düsennadel, verursacht durch den Brennraumdruck, als Sensor wirkt und entsprechende Signale an dessen elektrischen Anschlüssen abgegriffen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen der Krafteinwirkung auf den Injektorantrieb durch den Brennraumdruck und der durch die Einspritzdüse in den Brennraum eingespritzten Rate an Brenngas eine Rückkopplung eingestellt ist, die eine selbst regelnde, geräusch- und emissionsarme Verbrennung erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwischen der Krafteinwirkung auf den Injektorantrieb durch den Brennraumdruck und der durch die Einspritzdüse in den Brennraum eingespritzten Rate an Brenngas eine Rückkopplung eingestellt ist, die eine Verbrennung darstellt, die bei hohem mechanischen Wirkungsgrad eine minimale Belastung der Motormechanik ergibt.