DE102007042782A1

DE102007042782A1 - Motor, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102007042782A1
Application number: DE200710042782
Authority: DE
Inventors: Torsten Huppertz; Michael Frank; Axel Storch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-12
Also published as: JP2009062992A; JP5582688B2

Abstract

Es wird ein Motor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, angegeben, der mindestens einen Kraftstoff in einem Brennraum (15) verbrennenden Zylinder (11), mindestens einen im Brennraum (15) mündenden, Luft führenden Ansaugkanal (17), ein die Mündung des mindestens einen Ansaugkanals (17) abschließendes, aufsteuerbares Einlassventil (21) und ein Einspritzventil (23) aufweist, das Kraftstoff dosiert in Form eines Sprühkegels (25) in den Ansaugkanal (17) unmittelbar vor das Einlassventil (21) einspritzt. Zur optimalen Gemischaufbereitung bei Kaltstart und im dynamischen Betrieb des mit Betriebstemperatur arbeitenden Motors ist eine auf das Einspritzventil (23) wirkende Steuerung vorgesehen, die abhängig vom Betriebszustand des Motors den Sprühkegel (25) in mindestens zwei gegeneinander winkelversetzte Sprührichtungen verstellt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Motor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine bekannte Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem ( US 4 898 142 ) weist mindestens einen Zylinder mit einem im Zylinderkopf angeordneten, an einem Saugrohr für Verbrennungsluftzufuhr angeschlossenen Einlasskanal auf, in den die durch die Kanalwand des Saugrohrs hindurchgeführte Spitze eines Injektors oder Einspritzventils hineinragt. Die Mündung des Einlasskanals im Brennraum des Zylinders ist üblicherweise von einem Einlassventil geschlossen, dessen Ventilglied unter der Kraft einer Ventilschließfeder auf einem die Mündung des Einlasskanals umgebenden Ventilsitz aufliegt. Mittels eines von einer Ventilsteuerung angesteuerten Aktors kann das Einlassventil mehr oder weniger aufgesteuert werden. Das Einspritzventil ist über eine Kraftstoffleitung mit einer Druckpumpe verbunden. Das Einspritzventil öffnet bei einem Überdruck von z. B. 3 bar und spritzt eine dosierte Menge von Kraftstoff in Form eines Sprühkegels in den Einlasskanal direkt vor das Einlassventil, wobei sich der zerstäubte Kraftstoff mit der bei geöffnetem Einlassventil den Einlasskanal durchströmenden Luft mischt und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum des Zylinders gelangt.
Bei einem solchen, üblicherweise bei Otto-Motoren zur Anwendung kommenden Einzel-Saugrohreinspritzsystem ist die Ausrichtung des Einspritzventils so getroffen, dass der Sprühkegel direkt auf den Ventilteller des Einlassventils gelangt. Diese Ausrichtung des Sprühkegels stellt jedoch nur einen für alle Betriebszustände der Brennkraftmaschine akzeptablen Kompromiss dar.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die betriebszustandsabhängige Ausrichtung des vom Einspritzventil abgespritzten Kraftstoff-Sprühkegels auf eine Kompromissausrichtung des Sprühkegels verzichtet und die Gemischaufbereitung optimal auf die Erfordernisse des jeweiligen Betriebszustands des Motors abgestimmt werden kann. Ist dabei die Aussteuerung der Sprührichtung des Sprühkegels so getroffen, dass der Sprühkegel in einer ersten Sprührichtung auf den dem Einlassventil vorgelagerten Wandbereich der Kanalwand des Ansaugkanals auftrifft und in der zweiten Sprührichtung in die Mündung des Ansaugkanals gerichtet ist und dadurch eine Wandbenetzung weitgehend vermieden wird, und wird die erste Sprührichtung im Kaltstart und Warmlaufen und die zweite Sprührichtung bei Erreichen einer bestimmen Motortemperatur ausgesteuert, so werden einerseits bei Kaltstart und Warmlaufen des Motors Schadstoffemissionen als Folge unverbrannter oder unvollkommen verbrannter Kraftstoffanteile reduziert und andererseits bei dynamischem Betrieb des Motors nur geringe Abweichungen im Luft-/Kraftstoff-Verhältnis sichergestellt. Die durch das Aufsprühen von Kraftstoff auf die Kanalwand unmittelbar vor das Einlassventil erzielte Reduzierung der Schadstoffemissionen nutzt die Tatsache aus, dass im Kraftstoff verschiedene Fraktionen von leicht- bis schwerflüchtigen bzw. leicht- bis schwersiedenden Anteilen enthalten sind. Durch das bei Kaltstart erfindungsgemäß durchgeführte Aufsprühen des Kraftstoffs auf den dem Einlassventil unmittelbar vorgelagerten Kanalwandbereich werden bei der noch niedrigen Temperatur der Kanalwand nur die leichtflüchtigen Anteile verdampft und gelangen mit dem Luftstrom in den Brennraum des Zylinders, während sich die schwerflüchtigen oder schwersiedenen Kraftstoffanteile weitgehend als Wandfilm an der Kanalwand absetzen und erst zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Kanalwand eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat, sich ebenfalls verflüchtigen und mit dem Luftstrom in den Brennraum des Zylinders gelangen. Als Folge dessen ist bei Kaltstart und Warmlauf im Brennraum ein mit den leichtflüchtigen Kraftstoffanteilen sehr gut aufbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhanden, das vollständig verbrennt. Anders als bei der bekannten Kompromisseinstellung des Sprühkegels gelangt bei Kaltstart nicht der gesamte abgespritzte Kraftstoff in den Brennraum, der wegen der geringen Brennraumwandtemperatur mit seinen schwerflüchtigen Anteilen nicht an der Verbrennung teilnimmt, sich teilweise an der Brennraumwand niederschlägt und weitgehend unverbrannt aus dem Brennraum ausgespült wird, sondern nur die für die vollständige Verbrennung bei niedrigen Temperaturen geeigneten leichtflüchtigen Kraftstoffanteile. Bei Betriebstemperatur des Motors, wo alle Fraktionen des Kraftstoffs gleich gut verdampfen, führt hingegen die Kraftstoffeinspritzung ohne oder weitgehend ohne Kanalwandberührung zu einer für den dynamischen Betrieb besseren Gemischaufbereitung.
Durch die in den weiteren Ansprüchen 2 bis 9 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Motors möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zur Aussteuerung der Sprührichtungen des Sprühkegels das Einspritzventil schwenkbar gehaltert und die Einstellung der Sprührichtung des Sprühkegels durch Schwenken des Einspritzventils vorgenommen. Der zum Schwenken des Einspritzventils eingesetzte Aktuator oder Aktor wird vorzugsweise mit Unterdruck betrieben, wozu in einem Unterdruckspeicher mittels des Unterdrucks im Saugrohr ein Vakuum aufgebaut wird und dieser Unterdruck des Unterdruckspeichers im dynamischen Betrieb genutzt wird, um das Einspritzventil aus einer Grundstellung in eine Schwenkstellung mit Sprühachtung des Sprühkegels in die Mündung des Einlasskanals zu schwenken. Als Aktor kann aber auch ein anderes, pneumatisches, elektrisches oder mechanisches Stellorgan verwendet werden.
Ein vorteilhaftes Verfahren für die Kraftstoff/Luft-Gemischzuführung zum Motor ist in den Ansprüchen 10 und 11 angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 und 2 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt eines Zylinders eines Motors mit einem Kraftstoff-Einspritzsystem bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors.
Der in 1 und 2 im Längsschnitt ausschnittweise dargestellte Zylinder 11 eines mehrzylindrigen Motors für ein Kraftfahrzeug weist einen hohlzylindrischen Zylinderkörper 12 und einen den Zylinderkörper 12 stirnseitig abdeckenden Zylinderkopf 13 auf. Üblicherweise ist der Zylinderkopf 13 einstückig für alle Zylinder 11 des mehrzylindrigen Motors ausgeführt. Im Zylinderkörper 12 ist ein Hubkolben 14 axial verschieblich geführt, der über eine hier nicht dargestellte Pleuelstange mit einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle gelenkig verbunden ist. Der Hubkolben 14 begrenzt zusammen mit dem Zylinderkopf 13 einen Brennraum 15, in den eine Zündeinrichtung 16, z. B. Zündkerze, hineinragt. Im Zylinderkopf 13 des in Zweiventiltechnik ausgeführten Motors ist ein Einlass- oder Ansaugkanal 17 und ein Auslasskanal 18 ausgebildet, die jeweils im Brennraum 15 münden. Die Mündungsöffnungen sind von einem in die den Brennraum 15 begrenzende Zylinderkopfwand 131 eingearbeiteten Ventilsitz umgeben, auf den das als Ventilteller 19 ausgebildete Schließglied eines Einlassventils 21 bzw. eines Auslassventils 22 unter der Wirkung einer Ventilschließfeder 20 aufliegt. Wird der Motor in heute üblicher Vierventiltechnik ausgeführt, so sind pro Zylinder Ansaugkanal 17, Auslasskanal 18, Einlassventil 21 und Auslassventil 22 doppelt vorhanden. Der Ansaugkanal 17 ist üblicherweise an einem hier nicht dargestelltes Saugrohr angeschlossen, über das dem Ansaugkanal 17 Verbrennungsluft zuströmt. An den Auslasskanal 18 ist ein hier nicht dargestellter Abgaskrümmer des Abgasstrangs des Motors angeschlossen.
Zur Aufbereitung des im Brennraum 15 verbrennenden Gemisches aus Kraftstoff und Luft ist der Motor mit einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Einzeleinspritzung in den Ansaugkanal 17 ausgestattet. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist ein Einspritzventil 23, auch Injektor genannt, auf, das in einem am Zylinderkopf 13 dem Ansaugkanal 17 vorgesetzten Adapter 24 schwenkbar gehaltert ist. Der Adapter 24 hat einen zentralen, durchgehenden Innenhohlraum 241 und eine in dem Innenhohlraum 241 mündende Tasche 242, wobei die Tasche 242 so ausgebildet ist, dass die Taschenachse mit der Achse des Innenhohlraums 241 einen spitzen Winkel einschließt. Der Innenhohlraum 241 verbindet die Kanalöffnung des Ansaugkanals 17 mit dem zum Ansaugkanal 17 führenden Saugrohr. In der Tasche 242 ist das Einspritzventil 23 so aufgenommen, dass in jeder Schwenkstellung ein über die Spritzöffnung des Einspritzventils 23 abgespritzter Sprühkegel 25 aus zerstäubtem Kraftstoff direkt in den Ansaugkanal 17 gelangt. Wie allgemein bekannt und hier nicht weiter dargestellt ist, ist das Einspritzventil 23 über eine Druckleitung an einem Kraftstoffspeicher angeschlossen, der von einer Kraftstoffpumpe aus einem Kraftstoffbehälter geladen wird. Das Einspritzventil 23 wird vorzugsweise elektromagnetisch aufgesteuert und spritzt bei jeder Aufsteuerung eine dosierte Kraftstoffmenge in Form des Sprühkegels 25 in den Ansaugkanal 17 ab. Aufbau und Wirkungsweise des Einspritzventils 23 ist bekannt und beispielsweise in der DE 195 03 224 A1 beschrieben.
Das in der Tasche 242 schwenkbar gelagerte Einspritzventil 23 ist in zwei Schwenkpositionen überführbar, in denen die Sprührichtungen des vom Einspritzventil 23 abgespritzten Sprühkegels 25 um einen spitzen Winkel gegeneinander versetzt sind. Die Schwenkpositionen sind dabei so festgelegt, dass in der in 1 dargestellten Grundposition des Einspritzventils 23 der in dieser Grundposition abgespritzte Sprühkegel 25 auf den dem Einlassventil 21 unmittelbar vorgelagerten Wandbereich 171 der in Einbaulage des Motors unten liegende Kanalwand des Ansaugkanals 17 auftrifft und dass in der in 2 dargestellten anderen Schwenkposition des Einspritzventils 23 das Einspritzventil 23 so ausgerichtet ist, dass der abgespritzte Sprühkegel 25 direkt auf die Mündung des Ansaugkanals 17 und damit auf die Rückseite des Ventilteller 19 des Einlassventils 21 gerichtet ist, so dass der Kraftstoff-Sprühnebel die Kanalwand des Ansaugkanals 17 nicht oder nur geringfügig benetzt. Die Schwenkposition des Einspritzventils 23 wird von einem Motorsteuergerät 26 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors vorgegeben und über einen Aktuator oder Aktor 27 umgesetzt. In dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 27 ein federbelasteter, pneumatischer Aktuator 27, der von einer Rückstellfeder 28 in einer Grund- oder Ruheposition gehalten und durch Unterdruck betätigt wird. Hierzu ist der Aktuator 27 über ein vom Motorsteuergerät 26 elektromagnetisch betätigtes, pneumatisches Umschaltventil 29, das im Ausführungsbeispiel der 1 als 3/2-Wegemagnetventil ausgeführt ist, an einem Unterdruckspeicher 30 angeschlossen, in dem mittels des Unterdrucks im Saugrohr ein Vakuum aufgebaut werden kann.
In der in 1 dargestellten Grund- oder Ruheposition des Aktuators 27 ist dieser entlüftet und hält das Einspritzventil 23 in der in 1 dargestellten Schwenkposition, in der ein vom Einspritzventil 23 abgespritzter Sprühkegel 25 auf den Wandbereich 171 des Ansaugkanals 17 gerichtet ist und diesen benetzt. Diese Grundposition von Aktuator 27 und Einspritzventil 23 liegt bei Kaltstart des Motors vor.
Während des Warmlaufens des Motors wird im Unterdruckspeicher 30 mittels des Unterdrucks im nicht dargestellten Saugrohr ein Vakuum aufgebaut. Übersteigt die Betriebstemperatur des Motors während des Warmlaufens eine vorgegebene Temperatur, so generiert das Motorsteuergerät 26 ein Steuersignal zum Aktivieren des Aktors 27. Dieses führt zur Umschaltung des Umschaltventils 29, so dass nunmehr der Aktuator 27 mit dem Unterdruckspeicher 30 verbunden ist. Infolge des im Aktors 27 sich jetzt aufbauenden Unterdrucks schwenkt dieser unter Spannen der Rückstellfeder 28 das Einspritzventil 23 in die in 2 dargestellte zweite Schwenkposition, in welcher der vom Einspritzventil 23 ausgerichtete Sprühkegel 25 direkt auf den Ventilteller 19 des Einlassventils 21 gerichtet ist. Bei dieser zweiten Sprührichtung des Sprühkegels 25 wird eine Wandbenetzung des Ansaugkanals 17 weitgehend vermieden, was für den dynamischen Betrieb des Motors vorteilhaft ist. Nach Abstellen des Motors wird durch die im Aktor 27 wirksam werdende Rückstellfeder 28 das Einspritzventil 23 wieder in seine Grundposition zurückgeschwenkt. Alternativ kann auch die Aktivierung des Aktors 27 unabhängig von der Temperatur in direkter Abhängigkeit von Drehzahl und/oder Last des Motors herbeigeführt werden.
Da die Schwenkposition des Einspritzventils 23 Auswirkungen auf die Abgasemissionen hat, ist es für Diagnosezwecke von Vorteil, die aktuelle Schwenkposition des Einspritzventils 23 an das Motorsteuergerät 26 rückzumelden. Dies kann - wie hier nicht weiter dargestellt ist – in einfacher Weise durch Schließen eines elektrischen Kontakts in der in 2 dargestellten Schwenkposition des Einspritzventils 23 realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4898142 [0002]
- DE 19503224 A1 [0011]

Claims

Motor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mindestens einem in einem Brennraum (15) Kraftstoff verbrennenden Zylinder (11), mit einem im Brennraum (15) mündenden Ansaugkanal (17), mit einem die Mündung des Ansaugkanals (17) abschließenden, aufsteuerbaren Einlassventil (21) und mit einem Einspritzventil (23), das Kraftstoff dosiert in Form eines Sprühkegels (25) in den Ansaugkanal (17) unmittelbar vor das Einlassventil (21) einspritzt, gekennzeichnet durch eine vom Betriebszustand des Motors abhängige Steuerung des Sprühkegels (25) in mindestens zwei gegeneinander winkelversetzte Sprührichtungen.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sprührichtungen des Sprühkegels (25) so festgelegt sind, dass der Sprühkegel (25) in der ersten Sprührichtung auf den dem Einlassventil (23) vorgelagerten Wandbereich (171) der Kanalwand des Ansaugkanals (17) auftrifft und in der zweiten Sprührichtung in die Mündung des Ansaugkanals (17) gerichtet ist.
Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandbereich (171) auf der in Motoreinbaulage unteren Kanalwand liegt.
Motor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebszustandsabhängige Steuerung der beiden Sprührichtungen so getroffen ist, dass bei Kaltstart die erste Sprührichtung und oberhalb eines vorgegebenen Werts der Motortemperatur die zweite Sprührichtung eingestellt ist.
Motor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebszustandsabhängige Steuerung der beiden Sprührichtungen so getroffen ist, dass bei Kaltstart die erste Sprührichtung und abhängig von der Drehzahl und/oder Last des Motors die zweite Sprührichtung eingestellt ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (23) schwenkbar gehaltert ist und die Einstellung der Sprührichtungen des Sprühkegels (25) durch Schwenken des Einspritzventils (23) vorgenommen ist.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Einspritzventil (23) zu dessen Schwenkung angreifender Aktor (27) und ein den Aktor (27) ansteuerndes Steuergerät (26) vorgesehen sind, das vom Betriebszustand des Motors abhängige Steuersignale an den Aktor (27) gibt.
Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (27) unterdruckgesteuert und mittel einer Rückstellfeder (28) in einer Grundposition gehalten ist und das die Kopplung von Aktor (27) und Einspritzventil (23) so getroffen ist, dass am Einspritzventil (23) bei inaktivem Aktor (27) die erste Sprührichtung des Sprühkegels (25) und bei Unterdruckbeaufschlagung des Aktors (27) die zweite Sprührichtung des Sprühkegels (25) eingestellt ist.
Motor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Einspritzventil (23) eine dessen Schwenkpositionen erfassende Rückmeldeeinrichtung angeordnet ist.
Verfahren zum Einbringen eines Kraftstoff/Luft-Gemisches in einen Zylinder (11) eines Motors, bei dem in einen in einem Brennraum (15) des Zylinders (11) mündenden, Luft ansaugenden Ansaugkanal (17) dosiert Kraftstoff jeweils in Form eines Sprühkegels (25) eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkegel (25) abhängig vom Betriebszustand des Motors in mindestens zwei gegeneinander winkelversetzte Sprührichtungen umgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Start des Motors die erste Sprührichtung eingestellt wird, in der der Sprühkegel (25) auf einen der Mündung des Ansaugkanals (17) vorgelagerten Wandbereich (171) des Ansaugkanals (17) auftrifft, und abhängig von der Motortemperatur oder von der Drehzahl und/oder Last des Motors die zweite Sprührichtung eingestellt wird, in der der Sprühkegel (25) in die Mündung des Ansaugkanals (17) gerichtet ist.