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Bei
der Brennkraftmaschine der
DE
103 39 854 A1 wird mit Hilfe eines ersten Brennstoffeinblasventils
eine erste gasförmige Brennstoffmenge vor einem Verdichter
in eine Saugrohreinrichtung eingebracht, so dass ein Gas-Luft-Vorgemisch
gebildet wird. Durch die starke Vermischung im Verdichter und die
langen Wege durch die Saugrohreinrichtung bis zum jeweiligen Zylinder
der Brennkraftmaschine wird eine starke Homogenisierung des Gas-Luft-Vorgemisches
erzielt. Zusätzlich wird eine zweite gasförmige
Brennstoffmenge, die gegenüber der ersten eingebrachten
gasförmigen Brennstoffmenge kleiner ist, mit Hilfe wenigstens
eines zweiten, kleineren Brennstoffeinblasventils hinter dem Verdichter
in die Saugrohreinrichtung eingeblasen. Da diese später zugeführte,
kleinere Gasmenge in das bereits gut homogenisierte Gas-Luft-Gemisch
eingeblasen wird, stellt sich für sie ebenfalls eine gute
Vermischung ein.
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Beim
Betriebsverfahren der Brennkraftmaschine der
DE 10 2004 043 934 A1 wird
ebenfalls schon vor einem Verdichter und vor einer Drosselklappe
eine gasförmige Brennstoff-Grundmenge mittels eines ersten
Brennstoffeinblasventils in die Luftzufuhrleitung der Brennkraftmaschine
zur Durchmischung mit angesaugter Frischluft eingebracht. Im Zylindereinlassbereich
dieser Brennkraftmaschine wird das derart erzeugte Vorgemisch entweder
innerhalb der Saugrohreinrichtung der Brennkraftmaschine oder im
Brennraum des jeweiligen Zylinders durch mindestens ein zweites
Brennstoffeinblasventil, das hinter der Drosselklappe angeordnet
ist, mit einer gasförmigen Brennstoff-Hauptmenge angereichert. Dabei
wird die Hauptmenge durch das jeweilige zweite Brennstoffeinblasventil
mit einem höheren Brennstoffdruck als die Grundmenge durch
das erste Brennstoffventil eingeblasen. Insbesondere wird die Brennstoff-Grundmenge
maximal einem Drittel der Gesamtbrennstoffmenge gewählt,
die sich beim jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine aus der Summe
der Brennstoff-Grundmenge und der Hauptmenge ergibt.
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Beim
derartigen Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Gemisch aus
einem gasförmigen Kraftstoff wie zum Beispiel CNG („compressed natural
gas"), LPG („liquified petroleum gas"), H2 (Wasserstoff),
usw. ... und Frischluft ist in der Praxis eine ausreichend genaue
Kraftstoffmengen-Zumessung bzw. -Dosierung in den Brennraum des
jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors erschwert. Hohe Anforderungen
an die Exaktheit der Dosierung einer gasförmigen Kraftstoffmenge
für den jeweilig gewünschten Verbrennungsvorgang
im jeweiligen Zylinder werden dabei insbesondere im Instationärbetrieb,
d. h. bei Dynamikänderungen wie zum Beispiel Drehzahländerungen
oder Laständerungen des Verbrennungsmotors gestellt. Zwar
ermöglichen bereits Piezo-Injektoren eine Kraftstoffmengen-Zumessung
bzw. -Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs mit hoher Präzision.
Diese sind aber konstruktiv und ansteuerungstechnisch unter einer
Vielzahl praktischer Gegebenheiten zu aufwendig, zu kompliziert
und zu teuer.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zum Dosieren und Zuteilen
einer gewünschten Soll-Gesamtmenge an gasförmigem
Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines Verbrennungsmotors
eine Einblasvorrichtung bereitzustellen, die mit relativ einfachen
Komponenten auskommt und dennoch in präzise kontrollierbarer
Weise eine weitgehend exakte zylinderindividuelle Kraftstoffmengenzuteilung
bzw. -zumessung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch folgende erfindungsgemäße Einblasvorrichtung
gelöst:
Einblasvorrichtung zum Dosieren und Zuteilen
von gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen
Zylinders eines Verbrennungsmotors, wobei das Saugrohr des Luftansaugtrakts
des Verbrennungsmotors in fingerförmige Saugrohrabschnitte
zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verzweigt, wobei
in Lufteinströmrichtung betrachtet nach der Drosselvorrichtung
des Luftansaugtrakts im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt
des Saugrohrs mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor vorgesehen
ist, und wobei mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor am
jeweiligen Zylinder vorgesehen ist.
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Bei
dieser Einblasvorrichtung sind sowohl der Kanaleinblas-Solenoidinjektor
als auch der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor in Einströmrichtung
des Luftansaugtrakts betrachtet hinter dessen Drosselvorrichtung
im unmittelbaren Nahbereich des jeweiligen Zylinders positioniert.
Dadurch sind Laufzeiteinflüsse im Luftansaugtrakt auf die
Dosierung und Zuteilung der gasförmigen Kraftstoffmenge
in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders weitgehend vermieden.
Es kann in präzise kontrollierbarer Weise eine gewünschte
Soll-Gesamtmenge an gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer
des jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors, d. h. zylinderselektiv,
für den jeweilig gewünschten Verbrennungsvorgang
eingebracht werden. Komplizierte und teuere Piezo-Injektoren sowie
deren aufwendige Ansteuer- oder Regelungssysteme sind somit nicht
erforderlich.
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Die
erfindungsgemäße Einblasvorrichtung eignet sich
insbesondere für „Low-Cost"-Anwendungen wie zum
Beispiel in Kleinfahrzeugen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein erfindungsgemäßes
Verfahren zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff
in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines Verbrennungsmotors,
dessen Saugrohr im Luftansaugtrakt in fingerförmige Saugrohrabschnitte
zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verzweigt, mit
Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinjektor, der in Lufteinströmrichtung
betrachtet nach der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts im jeweiligen
fingerförmigen Saugrohrabschnitt des Saugrohrs angeordnet ist,
und mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinjektors am
jeweiligen Zylinder.
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Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auch auf ein Steuergerät mit
einer Steuerlogik zum Einstellen einer Einblasvorrichtung, insbesondere
nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die zum
Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff in die
Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines Verbrennungsmotors, dessen
Saugrohr im Luftansaugtrakt in fingerförmige Saugrohrabschnitte zu
den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verzweigt, in Lufteinströmrichtung
betrachtet nach der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts im jeweiligen
fingerförmigen Saugrohrabschnitt des Saugrohrs mindestens
einen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und mindestens einen Direkteinblas-Solenoidinjektor
am jeweiligen Zylinder aufweist.
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Sonstige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
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Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Übersichtsdarstellung ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Einblasvorrichtung für
einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor, der mit einem gasförmigen
Kraftstoff betrieben wird, wobei die Einblasvorrichtung für jeden
Zylinder des Verbrennungsmotors mindestens einen Kanaleinblas-Solenoidinjektor
und mindestens einen zugehörigen Direkteinblas-Solenoidinjektor umfasst,
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2 in
schematischer Darstellung die Injektorcharakteristika eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors
und eines Direkteinblas-Solenoidinjektors der Einblasvorrichtung
von 1, die als Injektorenpaar einem der Zylinder des
Verbrennungsmotors zugeordnet sind,
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3 in
schematischer Darstellung ein vorteilhaftes Ablaufverfahren in der
Steuerlogik eines Steuergeräts zur Einstellung des jeweiligen
Kanaleinblas-Solenoidinjektors sowie des jeweilig zugeordneten Direkteinblas-Solenoidinjektors
der Einblasvorrichtung von 1, die als
Injektorenpaar einem der Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordnet
sind, und
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4 in
schematischer Tabellendarstellung vorteilhafte Ansteuerstrategien
zur Einstellung des jeweiligen Injektorenpaars aus einem Kanaleinblas-Solenoidinjektor
sowie einem zugeordneten Direkteinblas-Solenoidinjektor der Einblasvorrichtung von 1 in
verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors.
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Elemente
mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 mit
4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
in schematischer Übersichtsdarstellung einen vierzylindrigen
Ottomotor als beispielhaften Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor COE
mit einer vorteilhaften Einblasvorrichtung ID für gasförmige
Kraftstoffe, die nach dem erfindungsgemäßen Konstruktions-
und Funktionsprinzip ausgebildet ist. Die Einblasvorrichtung ID
dient dazu, eine gewünschte Soll-Gesamtmenge TV (siehe 3)
an gasförmigem Kraftstoff GF in die Brennkammer desjenigen
Zylinders des Verbrennungsmotors COE dosiert einzubringen, für
den der nächste Verbrennungsvorgang entsprechend der Abfolge
der Verbrennungszyklen der Zylinder des Verbrennungsmotors COE vorbereitet
wird. Der Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor COE weist einen Luftansaugtrakt
IS auf. Durch dessen eingangsseitiges Luftfilter AF strömt
Frischluft FA in den Luftansaugtrakt IS ein. Sie wird in Einströmrichtung
AFD betrachtet einer nachfolgenden Drosselvorrichtung TH, insbesondere Drosselklappe,
zugeführt. Mit Hilfe der Drosselvorrichtung TH lässt
sich regulieren bzw. einstellen, welche Durchflussmenge an Frischluft
in ein nachgeordnetes Saugrohr IM einströmt. Die Drosselvorrichtung TH
sitzt dabei am Eingang dieses Saugrohrs IM. Ihre ein oder mehreren
Stellelemente lassen sich über mindestens eine Steuerleitung
SS1 vom Motor-Steuergerät ECU des Verbrennungsmotors COE
aus derart einstellen, dass ein gewünschter Durchflussquerschnitt
für die in das Saugrohr IM einströmende Frischluftmasse
bewirkt ist.
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Das
Saugrohr IM weist einen allen Zylindern zugeordneten, gemeinsamen
Saugrohrabschnitt CT auf, von dem aus fingerförmige Endabschnitte
zu den Gaseinlassventilen der einzelnen Zylinder CY1 mit CY4 des
Motorblocks MB des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors COE verzweigen.
Hier im Ausführungsbeispiel eines Ottomotors mit vier Zylindern CY1
mit CY4 gehen vier fingerförmige Endabschnitte FI1 mit
FI4 vom gemeinsamen Saugrohrabschnitt CT an die Gaseinlassventile
IV1 mit IV4 der vier Zylinder CY1 mit CY4 des Motorblocks des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors
COE. Die einzelnen Zylinder CY1 mit CY4 stoßen über
ihre jeweiligen Gasauslassventile EV1 mit EV4 verbrannte Kraftstoff-/Luftgemische
als Abgase während ihrer Ausstoßungstakte in einen
Abgastrakt ES aus. Die Abgase aus den Brennkammern der einzelnen
Zylinder CY1 mit CY4 des Motorblocks MB gelangen über zylinderselektive
Abgasrohre in einen gemeinsamen Abgaskrümmer EM und werden
als zusammengeführter Abgasstrom EG durch das Abgasrohrsystem des
Abgastrakts ES mindestens einer Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere Katalysatorvorrichtung
CAT zugeführt. Hier im Ausführungsbeispiel eines
Ottomotors mit vier Zylindern ist der Katalysatorvorrichtung CAT
mindestens eine Lambdasonde LP vorangestellt oder in diese integriert.
Die Lambdasonde LP misst den jeweils aktuellen Lambdawert, d. h.
das Verhältnis Luft zu Brennstoff im Vergleich zu deren
stöchiometrischen Gemisch, und teilt ein dafür repräsentatives
Messsignal LSS über eine Messleitung ML1 dem Motor-Steuergerät
ECU mit. Anstelle eines Katalysators kann ggf. auch ein sonstiges
Abgasreinigungssystem wie z. B. ein Partikelfiltersystem oder ein
sonstiges Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen sein. Das Motorsteuergerät
ECU übernimmt die Kontrolle und Regelung der Abgasreinigungsvorrichtung
CAT über eine Steuerleitung SS5.
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Weiterhin
ist hier im Ausführungsbeispiel von 1 ein Abgasrückführsystem
ERC vorgesehen. Dieses weist mindestens ein Verbindungsrohr vom Abgasrohr
des Abgastrakts ES zum Saugrohr IM auf. Durch diesen Abgasrückführungszweig
kann ein Teil RG des Abgasstroms EG von der Ausgangsseite des Verbrennungsmotors
COE zum eingangsseitigen Saugrohr IM zurückgeführt
werden. Die Abgasrückführrate des Abgasrückführsystems
ERC lässt sich dabei mit Hilfe mindestens einer Ventilsteuervorrichtung
RCV regulieren. Diese wird vom Motor-Steuergerät ECU über
eine Steuerleitung SS4 aus angesteuert. Durch die Abgasrückführung
wird eine vorgebbare Abgasmenge zum Frischgemisch bzw. zur angesaugten
Frischluft FA hinzugeführt. Der Einsatz der Abgasrückführung
bewirkt zum einen eine Minderung der NOx-Emissionen
bei Otto- und Dieselmotoren. Zum anderen bewirkt sie insbesondere
eine Entdrosselung im Luftansaugtrakt und mindert etwaige Drosselverluste
der Drosselvorrichtung TH.
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Um
nun den Verbrennungsmotor COE mit einem gasförmigen Kraftstoff
GF betreiben zu können, weist dieser eine Einblasvorrichtung
ID zum Dosieren und Zuteilen einer gewünschten Soll-Gesamtmenge
TV an gasförmigem Kraftstoff GF in die Brennkammer des
jeweiligen Zylinders CY1 mit CY4 des Motorblocks MB des Verbrennungsmotors
COE zur Vorbereitung des jeweiligen Verbrennungstakts innerhalb
des Verbrennungszyklus jedes Zylinders auf. Sie umfasst hier im
Ausführungsbeispiel von 1 eine Vielzahl
von Kanaleinblas-Solenoidinjektoren MI1 mit MI4, die in Lufteinströmrichtung
AFD betrachtet nach der Drosselvorrichtung TH im unmittelbaren Nahbereich
der Gaseinlassventile IV1 mit IV4 der Zylinder CY1 mit CY4 in den
zylinderselektiven, fingerförmigen Saugrohrabschnitten
IM angeordnet sind. Die Kanaleinblas-Solenoidinjektoren sind jeweils
derart ausgebildet, dass mit ihnen die Einblasung einer Kleinst-
oder Kleinmenge SVO (siehe 2, 3)
an gasförmigem Kraftstoff GF in die fingerförmigen
Saugrohrabschnitte FI1 mit FI4 des Saugrohrs IM ermöglicht
ist, um von dort aus jeweils eine gewünschte Kleinst- oder
Kleinmenge feindosiert in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders
individuell, d. h. zylinderspezifisch einbringen zu können,
wenn dessen Gaseinlassventil im jeweiligen Ansaugtakt geöffnet
wird.
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Gleichzeitig
weist die Einblasvorrichtung ID direkt an jedem Zylinder CY1 mit
CY4 jeweils einen Direkteinblas-Solenoidinjektor DI1 mit DI4 auf.
Der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor ermöglicht es,
eine Direkteinblasung einer Hauptmenge MVO (siehe 2, 3)
an gasförmigem Kraftstoff GF in dessen Brennraum zur Grobdosierung
einer gewünschten Soll-Gesamtmenge TV vornehmen zu können.
Dabei weist der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor MI1 mit
MI4 vorzugsweise eine 1/5 bis 1/10 geringere Durchflussrate FR als
der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor DI1 mit DI4 auf. Insbesondere
ist es zweckmäßig, in jedem fingerförmigen Endabschnitt
des Saugrohrs IM des Luftansaugtrakts jeweils einen Kanaleinblas-Solenoidinjektor
möglichst unmittelbar vor der jeweiligen Einlassöffnung des
jeweiligen Zylinders anzuordnen. Der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor
MI1 mit MI4 ist vorzugsweise wenige Zentimeter, insbesondere zwischen
3 und 6 Zentimeter, vor dem jeweiligen Einlasskanal der Brennkammer
des jeweiligen Zylinders CY1 mit CY4 in dessen eingangsseitigem,
fingerförmigem Saugrohr- Zufuhrabschnitt FI1 mit FI4 vorgesehen.
Allgemein betrachtet ist somit der Brennkammer jedes Zylinders mindestens
ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor und mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor
als Injektorenpaar zugeordnet.
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Für
den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und den jeweiligen
Direkteinblas-Solenoidinjektor, die als Injektorenpaar dem jeweiligen
Zylinder zugeordnet sind, ist ein gemeinsames Kraftstoffversorgungssystem
GFS vorgesehen. Dieses umfasst einen Vorratstank TA als Speichervorrichtung
für den gasförmigen Kraftstoff GF. Als gasförmiger
Kraftstoff wird vorzugsweise CNG („compressed natural gas"), LPG
(„liquified Petroleum gas"), H2 (Wasserstoff), usw.
... im Vorratstank TA bevorratet. Vom Vorratstank TA führt
eine Kraftstoffzufuhrleitung FP zu einer Verteilereinheit DB1. In
diese Kraftstoffzufuhrleitung ist eine Druckminderungsvorrichtung
IOV1 eingefügt, mit deren Hilfe sich der Tankdruck des gasförmigen
Kraftstoffs GF, der aus dem Vorratstank TA ausgelassen wird, auf
einen niedrigeren Systemdruck der Einblasvorrichtung ID herunterbringen
bzw. erniedrigen lässt. Damit lässt sich auch
die Zufuhr an gasförmigem Kraftstoff GF zu der Verteilereinheit DB1
regulieren. Die Ventilvorrichtung IOV1 wird dabei über
mindestens eine Steuerleitung SS3 vom Motor-Steuergerät
ECU aus derart angesteuert, dass die jeweilig gewünschte
Soll-Gesamtmenge TV an gasförmigem Kraftstoff, deren Einbringung
in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders für den nächsten
Verbrennungsvorgang durch das Motorsteuergerät ECU angefordert
wird, der Verteilereinheit DB1 zugeführt wird. Die Verteilereinheit
DB1 verzweigt die gemeinsame Zufuhrleitung FP in eine erste Zufuhrleitung
PL1 für die einzelnen Kanaleinblas-Solenoidinjektoren MI1
mit MI4 sowie in eine zweite Zufuhrleitung PL2 für die
Direkteinblas-Solenoidinjektoren DI1 mit DI4. Mit Hilfe eines elektronischen
Druckkontrollreglers PCD1 wird der Druck für den gasförmigen
Kraftstoff in der ersten Zufuhrleitung PL1 eingestellt. Der elektronische
Druckregler PCD1 lässt sich dabei vom Motorsteuergerät
ECU über eine Steuerleitung SS6 aus ansteuern. In entsprechender Weise
wird mit Hilfe des zweiten Druckreglers PCD2 in der zweiten Zufuhrleitung
PL2 der Druck für den dort einströmenden gasförmigen
Kraftstoff reguliert. In der ersten Zufuhrleitung PL1 ist nach dem
Druckregler PCD1 eine Verteilereinheit DB2 angeordnet, die über
individuelle Kraftstoffleitungen den gasförmigen Kraftstoff
an die einzelnen Kanaleinblas-Solenoidinjektoren MI1 mit MI4 in
den fingerförmigen Saugrohrzufuhrabschnitten FI1 mit FI4
verteilt. Die zweite Kraftstoffzufuhrleitung PL2 ist an ein Einspritzsystem CR
angeschlossen, an das die Direkteinblas-Solenoidinjektoren DI1 mit
DI4 gemeinsam angekoppelt sind.
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Der
jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor wie z. B. MI1 mit MI4 ist
hinsichtlich seiner Durchflussrate FR (siehe 3) insbesondere
für die Einblasung von Kleistmengen SVO an gasförmigem Kraftstoff
GF ausgelegt und im Wesentlichen linear kalibriert. Korrespondierend
dazu ist der jeweilige Direkt-einblas-Solenoidinjektor wie zum Beispiel
DI1 mit DI4 hinsichtlich seiner Durchflussrate FR insbesondere für
die Einblasung einer Hauptmenge MVO an gasförmigem Kraftstoff
GF ausgelegt und ebenfalls im Wesentlichen linear kalibriert. Diese
Injektorcharakteristik des jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektors
sowie des jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektors ist in der 2 anhand
eines Diagramms für die Durchflussmenge FR sowie für
die Öffnungszeit OT des jeweiligen Solenoidinjektors veranschaulicht.
Dabei ist der jeweilige Solenoidinjektor insbesondere derart ausgebildet,
dass er lediglich von seinem Schließzustand in einen einzigen, vorgegebenen Öffnungszustand
wechseln kann. Dies bedeutet, dass er nur einen einzigen, vorgegebenen Öffnungshub
aufweist und nicht teilhubfähig ist. Der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor
sowie sein zugehöriger, vorangestellter Kanaleinblas-Solenoidinjektor
als Injektorenpaar für jeden Zylinder zeichnen sich also
jeweils insbesondere dadurch aus, dass sie jeweils nur zwei Betriebszustände
aufweisen, nämlich einen Schließzustand sowie einen Öffnungszustand.
Im Öffnungszustand gibt der jeweilige Solenoidinjektor
eine vorgegebene Durchflussöffnung frei. Die Gesamtmenge
an gasförmigen Kraftstoff, die durch den jeweiligen Solenoidinjektor ausgeblasen
werden kann, wird auf diese Weise insbesondere durch die Öffnungszeitdauer
festgelegt. Entlang der Abszisse des Diagramms von 2 ist die Öffnungszeitdauer
OT des jeweiligen Solenoidinjektors, sowie entlang der Ordinaten
die zugehörige Durchflussmenge FR des jeweiligen Kanaleinblas- sowie
Direkteinblas-Solenoidinjektors aufgetragen. Für den jeweiligen
Kanaleinblas-Solenoidinjektor, der der Feindosierung einer Kleinst-
oder Kleinmenge an gasförmigem Kraftstoff GF dient, ist
eine beispielhafte Durchflussmengenkurve CMC eingezeichnet. Sie verläuft
im Wesentlichen geradlinig zwischen dem Öffnungszeitpunkt
tO, zu dem der Kanaleinblas-Solenoidinjektor von seinem Schließzustand
in seinen Öffnungszustand wechselt, während dem
er einen vorgegebenen Öffnungsquerschnitt freigibt. Zum Zeitpunkt
tC wird der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor wieder geschlossen
und hat während seiner Öffnungszeitdauer tC–tO
eine gewünschte Gesamt-Kleinstmenge SVO in den zugeordneten
fingerförmigen Saugrohrabschnitt eingeblasen. Dabei ist diese
geradlinige Durchflussmengenkurve CMC durch zwei voneinander zeitlich
beabstandete Kalibrierpunkte wie z. B. CP21 und CP22 in eindeutiger Weise
festgelegt. Auch der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor ist
durch eine Durchflussmengenkurve charakterisiert, die im Wesentlichen
einen linearen Verlauf in Abhängigkeit von der Öffnungszeitdauer
OT aufweist. Sie verläuft jedoch hier im Ausführungsbeispiel
mit einer größeren, insbesondere mit einer 5-
bis 10-fach größeren Steigung als die Durchflussmengenkurve
CMC für den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor. Diese
steiler verlaufende Durchflussmengenkurve für den jeweiligen
Direkteinblas-Solenoidinjektor ist in der 2 mit CDC
bezeichnet. Sie ist ebenfalls in eindeutiger Weise durch zwei zeitlich
beabstandete Geradenpunkte CP11 und CP12 definiert. Die Injektorcharakteristik
für den jeweiligen Direkteinblas- Solenoidinjektor ist derart
vorgegeben, dass von diesem nach Ablauf eines bestimmten Öffnungszeitraums
wie z. B. vom Öffnungszeitpunkt tO bis zum Schließzeitpunkt
tM eine gewünschte Hauptmenge MVO an gasförmigen
Kraftstoff in den zugeordneten Zylinder dieses Direkteinblas-Solenoidinjektor
eingeblasen wird. Durch die lineare Durchflussmengencharakteristik
des jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektors und seines vorangestellten,
zugeordneten Kanaleinblas-Solenoidinjektors, die jedem Zylinder
als Injektorenpaar zugeordnet sind, ergibt sich insgesamt in Überlagerung eine
lineare Abhängigkeit für die Gesamteinblasemenge
an gasförmigen Kraftstoff, die bei Betätigung bzw.
Aktivierung beider Solenoidinjektoren in die Brennkammer des jeweiligen
Zylinders insgesamt eingeblasen werden kann, von der Öffnungszeitdauer
OT. Dadurch ist die Ansteuerung eines Injektorenpaares aus Direkteinblas-Solenoidinjektor
sowie aus zugehörigem, vorangestelltem Kanaleinblas-Solenoidinjektor
vereinfacht möglich. Aufwendige Regelmechanismen und Ansteuerungssysteme
für diese Solenoidinjektoren können somit in vorteilhafter
Weise entfallen.
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Da
die Durchflussmengenkurven CMC, CDC für den jeweiligen
Kanaleinblasinjektor bzw. Direkteinblas-Solenoidinjektor als Geraden
ausgebildet sind, reicht es aus, für die jeweilige Durchflussmengenkurve
lediglich zwei Kalibierpunkte im Motorsteuergerät ECU zu
hinterlegen. Die jeweilige Durchflussmengenkurve kann dann aus den
hinterlegten Kalibrierpunkten vom Motorsteuergerät ECU
als Funktion ermittelt werden.
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Das Öffnen
und Schließen des jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektors
und des jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektors wird über
separate Steuerleitungen vom Steuergerät ECU aus durchgeführt.
Diese sind hier in der 1 der zeichnerischen Übersichtlichkeit
halber weggelassen worden.
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Im
Motorsteuergerät ECU werden mittels einer Steuerlogik CL
(siehe 3) vorzugsweise folgende funktionalen Verfahrensschritte
zur Dosierung einer gewünschten Soll-Gesamtmenge TV an
gasförmigem Kraftstoff GF durchgeführt, deren
Zumessung in die Brennkammer des Zylinders mit dem nächsten vorzubereitenden
Verbrennungsvorgang gefordert wird:
Die Steuerlogik CL von 3 führt
im Schritt LD eine Lasterfassung sowie im Schritt RD eine Drehzahlerfassung
für den Verbrennungsmotor COE durch. Im Schritt OPD wird
der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsmotors COE von einer
Rechen-/Auswerteeinheit PR der Steuerlogik CL bestimmt. Die Rechen-/Auswerteeinheit
PR nimmt dann in Abhängigkeit von der Last LO bzw. dem
Drehmoment, mit dem der Verbrennungsmotor COE aktuell beaufschlagt ist,
anhand einer oder mehrerer abgespeicherter Kennfelder EC eine Mengenaufteilung
für den jeweilig zuzumessenden, gasförmigen Kraftstoff
auf den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und den zugehörigen
Direkteinblas-Solenoidinjektor desjenigen Zylinders vor, für
den die nächste Verbrennungsphase bzw. Arbeitsphase vorbereitet
wird. Es wird also das Verhältnis bzw. die Aufteilung zwischen
der einzublasenden Kleinst- oder Kleinmenge SVO durch den jeweiligen
Kanaleinblas-Solenoidinjektor sowie der einzublasenden Hauptmenge
MVO durch den zugehörigen Direkt-einblas-Solenoidinjektor
ermittelt, um insgesamt eine gewünschte Soll-Gesamtmenge
TV in die Brennkammer des jeweilig im nächsten Arbeitstakt
zu zündenden Zylinders einzubringen. Diese Aufteilung der
jeweilig gewünschten Soll-Gesamtmenge TV an gasförmigem
Kraftstoff auf denjenigen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und denjenigen
Direkteinblas-Solenoidinjektor, die als Paar dem aktuell mit Kraftstoff
zu füllenden Zylinder wie z. B. hier CY1 zugeordnet sind,
ist in der 3 durch einen Block DIS veranschaulicht.
Abhängig vom jeweilig aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors COE
werden dann der diesem Zylinder wie z. B. CY1 zugeordnete Kanaleinblas-Solenoidinjektor
wie hier z. B. MI1 sowie der zugehörige Direkteinblas-Solenoidinjektor
wie hier z. B. DI1 durch die Rechen-/Auswerteeinheit PR aktiviert
und mit derartigen Öffnungszeitdauern geöffnet,
dass in Summe die jeweilig gewünschte Soll-Gesamtmenge
TV in die Brennkammer des aktuell für einen Verbrennungstakt
vorzubereitenden Zylinders eingebracht werden kann. In der 3 ist
der Ansteuerungsvorgang für den Kanaleinblas-Solenoidinjektor
durch einen Block ACMI sowie der Ansteuerungsvorgang für
den Direkteinblas-Solenoidinjektor DI1 durch einen Block ACDI angedeutet.
Vorzugsweise wird dabei sowohl für den Kanaleinblas-Solenoidinjektor
eine Vorsteuerung PCMI als auch für denn Direkteinblas-Solenoidinjektor
DI1 eine Vorsteuerung PCDI durch die Rechen-/Auswerteeinheit PR
durchgeführt.
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Mit
Hilfe des Messsignals LSS der Lambdasonde LP lässt sich
in vorteilhafter Weise zusätzlich die Feindosierung der
Einblasemenge an gasförmigem Kraftstoff für den
jeweilig aktiven Kanaleinblas-Solenoidinjektor kontrollieren bzw.
steuern. Dies ist in der 3 durch einen Block FGV angedeutet.
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4 veranschaulicht
anhand einer Tabelle MDS eine vorteilhafte Ansteuerstrategie für
das jeweilige Injektorenpaar aus Kanaleinblas-Solenoidinjektor und
zugeordnetem Direkteinblas-Solenoidinjektor jedes Zylinders des
Verbrennungsmotors von 1 in verschiedenen Betriebszuständen:
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1. Leerlauf und Niedriglastbereich (Teillast):
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Im
Betriebszustand des Leerlaufs sowie des Niedriglastbereichs, der
durch einen sehr niedrigen bis niedrigen Saugrohrdruck MAP im Saugrohr
gegenüber dem Umgebungsluftdruck AMP gekennzeichnet ist
(MAP << AMP und MAP < AMP), wird in vorteilhafter
Weise ausschließlich der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor
eingesetzt, der dem jeweilig für eine Verbrennung vorzubereitenden
Zylinder wie z. B. CY1 zugeordnet ist. Dadurch wird im Leerlauf,
im unteren und mittleren Teillastbereich des Verbrennungsmotors
COE eine gute Dosierbarkeit des gasförmigen Kraftstoffs
GF im Kleinstmengenbereich weitgehend sichergestellt. Weiterhin
fördert die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs
GF in den eingangsseitigen, fingerförmigen Saugrohrabschnitt dieses
Zylinders wie z. B. CY1 durch den dort angeordneten Kanaleinblas-Solenoidinjektor
wie z. B. MI1 (, der hinter der Drosselvorrichtung positioniert
ist,) die Entdrosselung, wodurch Ladungswechselverluste der Drosselvorrichtung
TH vermindert werden. Zusätzlich kann es zweckmäßig
sein, mit Hilfe des Abgasrückführsystem ERC eine
Abgasrückführung zur weiteren Entdrosselung durchzuführen.
Insbesondere ermöglichen gasförmige Kraftstoffe
mit hoher Klopffestigkeit wie z. B. Erdgas (CNG) hohe EGR(„exhaust
gas recirculation")-Raten, d. h. hohe Abgasrückführraten.
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2. Obere Teillast:
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In
diesem Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors wird der Saugrohrdruck
MAP größer als im Leerlauf, bleibt aber noch kleiner
als das Niveau des Umgebungsdrucks AMP (MAP < AMP). Dabei wird zweckmäßigweise
für den jeweilig für eine Verbrennung vorzubereitenden
Zylinder wie z. B. CY1 der zugehörige Direkteinblas-Solenoidinjektor
wie z. B. DI1 zusätzlich zum zugehörigen Kanaleinblas-Solenoidinjektor
wie z. B. MI1 aktiviert, d. h. eingeblendet. Dabei liefert der Direkteinblas-Solenoidinjektor
eine Grundmenge bzw. eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff
in die Brennkammer des Zylinders, für den die Zumessung
einer bestimmten Soll-Kraftstoffgesamtmenge TV gefordert wird, während
die Feindosierung durch den zugeordneten Kanaleinblas-Solenoidinjektor
durch Einblasung einer Klein- oder Kleinstmenge an gasförmigem
Kraftstoff erfolgt. Dies gewährleistet eine hohe Kraftstoffdosiergenauigkeit. Im
oberen Teillastbereich wird also mit Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors,
der in Lufteinströmrichtung des Luftansaugtrakts des Verbrennungsmotors
betrachtet nach dessen Drosselvorrichtung im unmittelbaren Nahbereich
des jeweiligen Zylinders in dessen eingangsseitigen, fingerförmigen
Saugrohr angeordnet ist, eine Kleinstmenge an gasförmigem
Kraftstoff in dieses Saugrohr zur Feindosierung der in den jeweiligen
Zylinder für dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtmenge eingeblasen,
und zugleich mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinjektors
an jedem Zylinder eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff
in dessen Brennkammer zur Grobdosierung der in den jeweiligen Zylinder
für dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtmenge
direkt eingeblasen.
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Nach
wie vor wird zweckmäßigerweise Abgas rückgeführt,
um die Vorteile einer Entdrosselung zu nutzen. Darüber
hinaus kann die Abgasrückführrate als Steuerparameter
zum Lastfeintuning eingesetzt werden.
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3. Oberste Teillast:
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In
diesem obersten Teillastbereich entspricht der Saugrohrdruck MAP
insbesondere im Wesentlichen dem Niveau des Umgebungsluftdrucks
AMP. Im obersten Teillastbetrieb, vorzugsweise nahe der Volllast,
wird der Kanaleinblas-Solenoidinjektor, der dem jeweilig mit einer
bestimmten Soll-Kraftstoffmenge TV zu füllenden Zylinder
wie z. B. CY1 zugeordnet ist, vorzugsweise ausgeblendet, d. h. deaktiviert,
und die Kraftstoffzumessung ausschließlich bzw. allein über
dessen Direkteinblas-Solenoidinjektor wie z. B. DI1 durchgeführt.
Ein Entdrosselungseffekt über den Abgasrückführstrom
ist nicht mehr zu erreichen, da die Drosselvorrichtung dann ohnehin
fast vollständig geöffnet ist. Als Steuerparameter
dient vorzugsweise der Zeitpunkt des Einblasbeginns. Wird Gas in
den Brennraum eingeblasen, solange die Gaswechseleinlassventile
des Zylinders noch geöffnet sind, wird ein bestimmtes Volumen
des Brennraums des jeweiligen Zylinders von gasförmigem
Kraftstoff eingenommen, so dass das Zuströmen von Frischluft
gehemmt wird. Dieser Steuervorgang kann durch Einsatz von Nockenwellenphasenstellern
ergänzt und optimiert werden. Insbesondere werden die Gaseinlassventile
vor dem Gaseinblasen mit dem Direkteinblas-Solenoidinjektor geschlossen.
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4. Volllast:
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Im
Betriebszustand der Volllast hat der Saugrohrdruck MAP im Wesentlichen
das Niveau des Umgebungsluftdrucks AMP (MAP = AMP). Auch in diesem
Betriebszustand der Volllast wird ausschließlich der Direkteinblas-Solenoidinjektor
wie z. B. DI1 des jeweilig zu füllenden Zylinders wie z.
B. CY1 durch das Motorsteuergerät ECU angesteuert, um Frischluftfüllungsverluste
durch Kraftstoffpartialdruck im Saugrohr zu vermeiden. Die erforderliche
Volllastmenge bestimmt dabei die obere Grenze der Auslegung der
Komponente in Bezug auf den Durchfluss bei gegebenem Systemdruck.
Der Einblasbeginn wird zweckmäßigweise derart
ausgelegt, dass die ein oder mehreren Gaswechseleinlassventile des
zuzumessenden Zylinder bereits geschlossen sind, um den im oberen
Abschnitt beschriebenen Effekt der Frischluftzuströmhemmung
zu vermeiden. Vorhandene Nockenwellenverstelleinrichtungen und weitere in
den Luftpfad eingreifende Stellorgane werden zweckmäßigweise
so positioniert, dass maximale Frischluftfüllung gegeben
ist.
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Zusammenfassend
betrachtet ist also eine Einblasvorrichtung zum Dosieren und Zuteilen
von gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen
Zylinders eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei das Saugrohr
des Luftansaugtrakts des Verbrennungsmotors in fingerförmige
Saugrohrabschnitte zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors
verzweigt, wobei in Lufteinströmrichtung betrachtet nach
der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts im jeweiligen fingerförmigen
Saugrohrabschnitt des Saugrohrs mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor
vorgesehen ist, und wobei mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor
am jeweiligen Zylinder vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise
ist der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor unmittelbar, insbesondere
wenige Zentimeter, vor dem Einlasskanal der Brennkammer seines zugeordneten Zylinders
in dessen eingangsseitigem, fingerförmigem Saugrohrabschnitt
vorgesehen. Der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor ist hinsichtlich
seiner Durchflussrate insbesondere für die Einblasung von Klein-
und Kleinstmengen an gasförmigem Kraftstoff ausgelegt und
im Wesentlichen linear kalibriert ist. Der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor
ist dabei vorzugsweise maximal für solch hohe Motorlasten ausgelegt,
ab denen eine vollständige Entdrosselung im Luftansaugtrakt
nicht mehr möglich ist. Der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor
ist hinsichtlich seiner Durchflussrate insbesondere für
die Einblasung einer Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff
ausgelegt und im Wesentlichen linear kalibriert ist.
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In
vorteilhafter Weise ist im Leerlauf und unteren bis mittleren Niedriglastbereich
des Verbrennungsmotors für den jeweiligen Zylinder im Wesentlichen
oder ausschließlich lediglich dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor
aktiv geschaltet, und dessen Direkteinblas-Solenoidinjektor deaktiviert.
Zur Befüllungssteuerung der Brennkammer des jeweiligen
Zylinders mit Luft ist zweckmäßigerweise zusätzlich
ein Abgasrückführsystem vorgesehen ist, das für
den Luftansaugtrakt einen Entdrosselungseffekt im Leerlauf und Niedriglastbereich
des Verbrennungsmotors bewirkt.
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Zweckmäßigerweise
wird ab dem Zeitpunkt, ab dem eine vollständige Entdrosselung
im Luftansaugtrakt nicht mehr möglich ist, im oberen Teillastbereich
des Verbrennungsmotors für den jeweiligen Zylinder zusätzlich
zu dessen zugeordnetem Kanaleinblas-Solenoidinjektor, der der zylinderindividuellen
Einblasung einer Klein- oder Kleinstmenge an gasförmigem
Kraftstoff in den Brennraum dieses Zylinders zur Feindosierung einer
dorthinein für dessen jeweiligen Arbeitstakt einzubringenden
Soll-Gesamtfüllmenge dient, der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor
zur zylinderindividuellen Direkteinblasung einer Hauptmenge der
einzubringenden Soll-Gesamtfüllmenge aktiv geschaltet.
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Für
den jeweiligen Zylinder sind dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor
und zugeordneter Direkteinblas-Solenoidinjektor hinsichtlich ihrer
Einblasemengen an gasförmigem Kraftstoff insbesondere in
Abhängigkeit vom Tankdruck im Vorratstank des gasförmigen
Kraftstoffs aufgeteilt. Im Fall, dass der Tankinhalt weitgehend
vollständig genutzt wird, d. h. der Tank weitgehend leer
gefahren wird, kann der Tankdruck unter den Systemdruck der Einblasvorrichtung
von z. B. 20 bar fallen. Die Direkteinblasung ist aber nur dann
möglich, wenn der verbleibende Einblasedruck signifikant
höher als der Zylinderinnendruck ist. Bei der Kanaleinblasung
durch den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor ist dies weniger
kritisch, da die Einblasung nur gegen den gegenüber dem
Zylinderinnendruck niedrigeren Saugrohrdruck von etwa kleiner 1
bar erfolgt. In diesem Fall wird zweckmäßigerweise
eine mengenmäßige Verschiebung vom jeweiligen
Direkteinblas-Solenoidinjektor zu dessen zugeordnetem Kanaleinblas-Solenoidinjektor
durchgeführt. Dies bedeutet, dass gegenüber dem
Zustand, zu dem der Tank überwiegend gefüllt ist,
beim Leerfahren des Tanks dann, wenn der Tankdruck etwa dem Systemdruck der
Einblasvorrichtung entspricht oder unter diesen fällt,
mehr gasförmiger Kraftstoff durch den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor
als zuvor und dafür durch den zugeordneten Direkteinblas-Solenoidinjektor
etwas weniger gasförmiger Kraftstoff eingeblasen wird.
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Im
obersten Teillastbereich und Volllastbereich des Verbrennungsmotors
ist für den jeweiligen Zylinder dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor
vorzugsweise deaktiviert, und lediglich dessen Direkteinblas-Solenoidinjektor
aktiv geschaltet. Im obersten Teillastbereich und Volllastbereich
des Verbrennungsmotors ist der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor
zweckmäßigerweise derart aktiviert und gesteuert,
dass die Kraftstoffeinblasung des jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektors
erst nach dem Schließen der ein oder mehreren Gaswechseleinlassventile
des jeweiligen Zylinders gestartet ist. Vorzugsweise sind ein etwaig
vorhandener Nockenwellenphasensteller und/oder weitere in den Luftansaugtrakt
eingreifenden Stellorgane derart positioniert, dass im Volllastbetrieb
maximale Frischluftfüllung für die Zylinder bereitgestellt
ist. Im Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors sind zweckmäßigerweise
sowohl der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor als auch der
jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor bis zu 100% angesteuert,
um die geforderte maximal einzubringende Soll-Gesamtmenge an gasförmigem
Kraftstoff GF zu liefern. Für den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor
und den jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektor ist dabei insbesondere ein
gemeinsames Kraftstoffversorgungssystem vorgesehen. Der Zeitpunkt
des Beginns der Kraftstoffeinblasung des jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektors
bildet in diesem Betriebsbereich vorzugsweise einen Lastregulativparameter
für den Verbrennungsmotor.
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Aufgeladene Motoren:
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Bei
aufgeladenen Verbrennungsmotoren ist eine demgegenüber
abgewandelte Ansteuerstrategie zweckmäßig. Mit
Hilfe des Motor-Steuergeräts ECU wird über eine
Steuerleitung SS2 auch der Verdichtungsgrad eines Verdichters CO
eingestellt, der in Einströmrichtung AFD betrachtet vor
der Drosselvorrichtung TH im Luftansaugtrakt IS angeordnet ist und
mit dem die einströmende Frischluftmasse FA komprimiert
wird.
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In
aufgeladenen Betriebsbereichen, in denen der Saugrohrdruck MAP größer
als der Umgebungsdruck AMP (MAP > AMP)
ist, wird mit dem Direkteinblas-Solenoidinjektor des jeweiligen
Zylinders eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff eingebracht, um
dem Verdichter wie z. B. COM im Luftansaugtrakt IS möglichst
wenig oder gar keinen zusätzlichen Widerstand entgegenzusetzen.
Der dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Kanaleinblas-Solenoidinjektor wird
aber dennoch vom Motorsteuergerät ECU mit angesteuert.
Seine eingebrachte Gasmenge dient lediglich zum Feintuning bezüglich
der Kraftstoffeinblasemenge. Dadurch lässt sich primär
die Gemischbildung im Saugrohr IM und damit aber auch die Gas-/Luftvermischung
im Brennraum des jeweilig zu füllenden Zylinders verbessern,
wodurch dessen Klopfneigung verringert wird. Bei Maximallast bzw. Volllast
(mit MAP >> AMP) werden vorzugsweise
beide Injektoren, d. h. sowohl der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor
als auch der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor, der dem jeweiligen
Zylinder zugeordnet ist, vorzugsweise mit bis zu 100% angesteuert,
um die jeweilig geforderte Brennstoffgesamtmenge in dem Brennraum
des jeweiligen Zylinders liefern zu können. Unter 100%
Ansteuerung des jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor sowie des zugehörigen
Direkteinblas-Solenoidinjektor wird dabei insbesondere verstanden,
dass der maximal für die Gaseinblasung zur Verfügung
stehende Zeitraum pro Arbeitsspiel ausgenutzt wird. Dieser hängt
insbesondere beim Direkteinblas-Solenoidinjektor vom Zylinderinnendruck
ab, da nur dann Gas in den Zylinder eingebracht werden kann, wenn
der Gasdruck höher als der Zylinderinnendruck ist.
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Allgemein
betrachtet wird also bei aufgeladenem Motor im oberen Teillastbereich
mit Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors, der in Lufteinströmrichtung
des Luftansaugtrakts des Verbrennungsmotors betrachtet nach dessen
Drosselvorrichtung im unmittelbaren Nahbereich des jeweiligen Zylinders
in dessen eingangsseitigen, fingerförmigen Saugrohr angeordnet
ist, eine Kleinstmenge an gasförmigem Kraftstoff in dieses
Saugrohr zur Feindosierung der in den jeweiligen Zylinder für
dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtmenge eingeblasen,
und zugleich mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinjektors
an jedem Zylinder eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff
in dessen Brennkammer zur Grobdosierung der in den jeweiligen Zylinder
für dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtmenge
direkt eingeblasen.
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Allgemein
ausgedrückt ist eine Einblasvorrichtung bereitgestellt,
deren Direkteinblas- und Kanaleinblas-Solenoidinjektoren für
unterschiedliche Betriebsbereiche eines Verbrennungsmotors flexibel aktivierbar
oder deaktivierbar sind. Dabei ist bei dieser Einblasevorrichtung mindestens
ein Direkteinblas-Solenoidinjektor als auch mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor
hinter der Drosselvorrichtung positioniert und dem jeweilig zu füllenden
Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordnet. Sowohl die Kraftstoffeinbringung,
insbesondere Kanaleinblasung in den jeweiligen fingerförmigen
Saugrohrabschnitt (KE-Einblasung) als auch die Kraftstoffeinblasung
direkt in den Brennraum (DE-Einblasung) erfolgen also hinter der
Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts. Bei einer derartigen Einblasvorrichtung, bei
der sowohl der Kanaleinblas-Solenoidinjektor als auch der jeweilige
Direkteinblas-Solenoidinjektor in Einströmrichtung des
Luftansaugtrakts betrachtet hinter dessen Drosselvorrichtung im
unmittelbaren Nahbereich des jeweiligen Zylinders positioniert sind, werden
Laufzeiteinflüsse des Luftansaugtrakts auf die Zuteilung
der gasförmigen Kraftstoffmenge in die Brennkammer des
jeweilig zu füllenden Zylinders weitgehend vermieden. Auf
diese Weise kann präzise kontrollierbar eine gewünschte
Soll-Gesamtmenge an gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des
jeweilig zu füllenden Zylinders des Verbrennungsmotors,
d. h. zylinderselektiv, für den jeweilig gewünschten
Verbrennungsvorgang eingebracht werden. Würde hingegen
ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor vor der Drosselvorrichtung positioniert
werden, so würde eine exakte Kraftstoffzumessung insbesondere
im Instationärbetrieb aufgrund zu langer Laufzeiten des
eingeblasenen Gases vom Einblaseort bis in den Brennraum des jeweilig
zu füllenden Zylinders beeinträchtigt werden,
d. h. es würde zu Kraftstoff-Fehldosierungen kommen. In
Folge solcher Fehldosierungen würden sich Lambdafehler
ergeben, die generell, insbesondere bei Verbrennungsaussetzern,
zu „Nachkat"-Emissionsverschlechterungen sowie zu einem
verschlechterten Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors führen
würden. Lambda-Fehler würden sich dann ergeben,
wenn die eingebrachte Gasmenge verhältnismäßig
nicht zu der für die Verbrennung zur Verfügung
stehenden Luftmasse passt.
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Eine
Einblasvorrichtung mit mindestens einem Direkteinblas-Solenoidinjektor
hinter der Drosselvorrichtung zur Grob- oder Hauptdosierung und mindestens
einem Kanaleinblas-Solenoidinjektor im jeweiligen fingerförmigen
Saugrohrabschnitt hinter der Drosselvorrichtung zur Feindosierung
ermöglicht insbesondere, komplizierte und teuere Piezo-Injektoren
sowie deren aufwendige Ansteuer- und Regelungssysteme zu ersetzen.
Bei der Einblasvorrichtung entsprechend der 1, die zum
Dosieren und Zuteilen einer gewünschten Soll-Gesamtmenge
an gasförmigen Kraftstoff in die Brennkammer des jeweilig
zu füllenden Zylinders eines Verbrennungsmotors mindestens
einen Kanaleinblas-Solenoidinjektor im unmittelbaren Nahbereich
dieses Zylinders in dessen eingangsseitigem, fingerförmigen
Saugrohrabschnitt hinter der Drosselvorrichtung und mindestens einen
Direkteinblas-Solenoidinjektor direkt an diesem Zylinder umfasst,
ist eine exakte zylinderselektive Kraftstoffzumessung, die Abdeckung
eines relativ großen Betriebsbereichs aufgeladener und
nicht aufgeladener Verbrennungsmotoren, sowie eine einfache Darstellbarkeit
bzw. Realisierbarkeit des bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren erforderlichen Kraftstoffmassendurchsatzes
ermöglicht.
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Der
gasförmige Kraftstoff kann nach dem Prinzip der äußeren
Gemischbildung in das Saugrohr (Kanaleinblasung-KE) mit Hilfe mindestens
eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors und/oder nach dem Prinzip der
inneren Gemischbildung direkt in den Brennraum (Direkteinblasung-DE)
mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinjektors zur Füllung
des Brennraums des jeweiligen Zylinders eingebracht werden. Eine
derartige Einblasevorrichtung ermöglicht es, sowohl im
Leerlauf geringste Kraftstoffmengen hochgenau zu dosieren, als auch
im Volllastbetrieb große Einblasmengen an gasförmigen Kraftstoff
zu liefern, um die jeweils geforderte Motorleistung realisieren
zu können. Die Kombination aus Kanaleinblas-Solenoidinjektor
und Direkteinblas-Solenoidinjektor, die dem jeweiligen Zylinder
als Injektorenpaar zugeordnet ist, kommt dabei mit dem begrenzten
Systemdruck des Kraftstoffversorgungssystems aus. Denn ein Druckminderer
verringert den Tankdruck, insbesondere von mehr als 200 bar, auf Systemdruck,
insbesondere auf ca. 20 bar.
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Auf
diese Weise sind zur Realisierung eines direkteinspritzenden, mit
gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors keine
teuren Piezo-Injektoren erforderlich, sondern es können
herkömmliche, kostengünstige und serienmäßig
verfügbare Solenoide verwendet werden. Das Verfahren hat
weiterhin den Vorteil, dass es nicht auf monovalente Fahrzeuge beschränkt
ist, sondern problemlos in bivalenten Kraftstoffeinspritzsystemen
eingesetzt werden kann. Vorteilhaft können beide Injektoren,
die pro zu füllendem Zylinder vorgesehen sind, vom selben
Kraftstoffsystem versorgt werden, wodurch keine zusätzlichen
Bauteile oder Aufwendungen notwenig sind. Durch die Positionierung
des Injektorpaars pro Zylinder nach der Drosselvorrichtung, der
linearen Auslegung (Kalibrierung) und der oben erläuterten Ansteuerstrategie
des jeweiligen Injektorenpaars ergeben sich insbesondere folgende
Vorteile:
- – Abdeckung eines weiten
Betriebsbereichs für Motoren ohne und mit Aufladung
- – niedrigste Totzeiten und damit optimiertes Ansprechverhalten
im Stationärbetrieb
- – optimierte Motorbetriebszustandwechsel (z. B. von
Teillast auf Schub und dann Schubabschalten)
- – exakte zylinderselektive Kraftstoffdosierung in allen
Motorbetriebsbereichen
- – geringe Emissionen
- – maximale Entdrosselung und damit geringe Ladungswechselverluste
(optimierter Ladungswechsel)
- – hoher Verbrennungswirkungsgrad
- – hoher Gesamtwirkungsgrad,
- – minimierter spezifischer Kraftstoffverbrauch
- – geringerer Absolut-Kraftstoffverbrauch gegenüber
konventionellen Einblasvorrichtungen
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Vorteilhaft
ist insbesondere, dass der Kanaleinblas-Solenoidinjektor für
den jeweiligen Zylinder möglichst nahe an dessen Gaseinlassventil
positioniert ist. Dadurch sind die Laufwege für den gasförmigen
Kraftstoff vom Einbringungsort bis in die Brennkammer des jeweilig
mit einer gasförmigen Kraftstoffmenge zu füllenden
Zylinders gegenüber dem Einblaseverfahren der
DE 103 339 854 A1 sowie
DE 10 2004 043 934 verkürzt.
Dies erlaubt eine wesentlich verbesserte und exaktere Kraftstoffzumessung
als bei einer Teilmengeneinblasung oder Gesamtmengeneinblasung vor
der Drosselvorrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10339854
A1 [0001]
- - DE 102004043934 A1 [0002]
- - DE 103339854 A1 [0047]
- - DE 102004043934 [0047]