DE102009008832A1

DE102009008832A1 - Brennkraftmaschine für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102009008832A1
Application number: DE102009008832A
Authority: DE
Inventors: Jens Fronemann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-08-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, bei welcher über einen ersten Einspritzkanal (20) Kraftstoff direkt in eine Brennkammer (12) und über einen zweiten Einspritzkanal (24) Kraftstoff in einen Einlass- (14) und/oder Auslasskanal (28) der Brennkammer (12) eingespritzt werden kann. Beide Einspritzkanäle (20, 24) stehen dabei mit einem Hochdruckkraftstoffsystem in Verbindung, so dass Kraftstoff über die jeweiligen Einspritzkanäle (20, 24) gedrückt wird. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit eines separaten Hochdruckeinspritzsystems für die direkte Einspritzung in die Brennkammer (12) und eines Niederdruckeinspritzsystems für die Einspritzung in den Einlass- (14) oder Auslasskanal (28).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
Derartige fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit sowohl Direkteinspritzung in die Brennkammern als auch indirekter Einspritzung in die Saugrohre sind allgemein bekannt. Das Bereitstellen zweier Einspritzsysteme dient dabei der Optimierung der Gemischbildung in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine. Bei niedrigen Lasten und Drehzahlen ist es vorteilhaft, Kraftstoff ins Saugrohr der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Bei Volllast hingegen überwiegen die Vorteile der direkten Einspritzung in die Brennkammern der Brennkraftmaschine. Durch die Möglichkeit, beide Einspitzverfahren alternativ oder gleichzeitig zu verwenden, wird somit die Leistung und die Emissionswerte der Brennkraftmaschine in allen Betriebszuständen verbessert.
Bei bekannten fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit kombinierter Direkt- und Saugrohreinspritzung ist es üblich, die beiden Einspritzsysteme jeweils bei unterschiedlichen Druck mit Kraftstoff zu versorgen. Ein erster Einspritzkanal, der direkt in den Brennraum mündet, wird dabei durch ein Hochdrucksystem versorgt. Ein zweiter Einspritzkanal, der in das Saugrohr mündet, wird von einem Niederdrucksystem mit Kraftstoff versorgt. Dies erhöht nachteiligerweise den benötigten Bauraum, die Herstellungskosten der Brennkraftmaschine, das Baugewicht der Brennkraftmaschine und die Komplexität von Motorsteuergeräten.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine so weiterzuentwickeln, dass Bauraumbedarf, Gewicht der und Herstellungsaufwand für die Brenn kraftmaschine reduziert werden und die Steuerung der Brennkraftmaschine vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der zweite Einspritzkanal ebenfalls mit dem Hochdrucksystem, umfassend eine Hochdruckpumpe, Hochdruckleitungen und ein Hochdruckrail in Verbindung steht, so dass Kraftstoff über den zweiten Einspritzkanal in den Einlasskanal beziehungsweise den Auslasskanal mit Hochdruck eingespritzt werden kann. Im Gegensatz zu bekannten Einspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen erfolgt also keine Trennung zwischen einem Hochdrucksystem für die Direkteinspritzung und einem Niederdrucksystem für die Einspritzung in den Einlass- oder Auslasskanal. Die Brennkraftmaschine kann daher vorteilhafterweise einfacher konstruiert werden, weil die Notwendigkeit zusätzlicher Einspritzdüsen und Leitungen für die getrennten Hochdruck- und Niederdrucksysteme entfällt. Dadurch werden außerdem auch Kosten bei der Herstellung eingespart. Auch die Steuerung der Brennkraftmaschine durch eine entsprechende zugeordnete Elektronik ist erleichtert, da nicht mehr zwei getrennte Einspritzsysteme angesteuert werden müssen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Drosselelement in dem zweiten Einspritzkanal vorgesehen. Durch das Drosselelement kann der Druck des von der Hochdrucklampe bereitgestellten Kraftstoffs auf dessen Weg zum Einlasskanal oder Auslasskanal verringert werden. Damit können mit einer solchen Brennkraftmaschine bei geringerem Material- und Konstruktionsaufwand die gleichen Einspritzcharakteristika erreicht werden wie bei bekannten Brennkraftmaschinen mit getrennten Hochdruck- und Niederdruckeinspritzsystemen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Brennkraftmaschine ein Ventil zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts des ersten und/oder des zweiten Einspritzkanals. Damit wird vorteilhaft ermöglicht, verschiedene Einspritzvarianten wie Direkteinspritzung, Saugrohreinspritzung und gemischte Einspritzung zu realisieren. Das Einspritzverfahren kann dabei dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine optimal angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Einspritzkanal so angeordnet, dass durch ihn Kraftstoff gegen eine Strömungsrichtung des den Einlasskanal oder Auslasskanal durchströmenden Mediums einspritzbar ist. Damit wird eine besonders gute Durchmischung von eingespritztem Kraftstoff und angesaugter Luft beziehungsweise Verbrennungsgasen erreicht. Alternativ ist es möglich, den zweiten Einspritzkanal so anzuordnen, dass der Kraftstoff in der Strömungsrichtung des den Einlasskanal oder Auslasskanal durchströmenden Mediums einspritzbar ist. Auch die so erzielte inhomogenere Gemischverteilung kann in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der geschilderten Art. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausschließlich über den ersten Einspitzkanal Kraftstoff eingespritzt wird. Dies entspricht einer an sich bekannten Direkteinspritzung in die Brennkammer der Brennkraftmaschine, über welche je nach dem Einspritzzeitpunkt eine homogene oder inhomogene Gemischbildung in der Brennkammer der Brennkraftmaschine realisiert werden kann.
Bevorzugt wird in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine Kraftstoff ausschließlich über den zweiten Einspritzkanal eingespritzt werden. Mündet der zweite Einspritzkanal in den Einlasskanal der Brennkammer, so entspricht dies einer bekannten Saugrohreinspritzung. Diese ist insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine von Vorteil und führt zu einer Verbesserung der abgegebenen Leistung sowie zu einer Verringerung der entstehenden Emissionen. Mündet der zweite Einspritzkanal in den Auslasskanal der Brennkammer, so kann die direkte Einspritzung in den Auslasskanal in Verbindung mit Restsauerstoff im Abgas zur Erhöhung der Abgastemperatur benutzt werden. Dies ist insbesondere zum Aufheizen von Katalysatoren oder zum Reinigen von Komponenten der Abgasanlage vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt in einem weiteren Betriebszustand eine gleichzeitige Einspritzung über den ersten und den zweiten Einspritzkanal. Dies verbessert vorteilhaft die Leistung der Brennkraftmaschine im Übergangsbereich zwischen Niedrig- und Volllast. Durch eine solche gemischte Einspritzung kann die Leistung der Brennkraftmaschi ne auch in Betriebszuständen optimiert werden, in denen eine reine Direkt- oder Saugrohreinspritzung nicht vorteilhaft ist.
Während des Einspritzens von Kraftstoff in den Einlasskanal oder Auslasskanal kann weiterhin zusätzlich Luft in den jeweiligen Kanal eingeblasen werden. Dies ermöglicht eine besonders gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigt:
1 eine Schnittdarstellung durch den Zylinderkopf eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
2 eine Schnittdarstellung durch den Zylinderkopf eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Ein Zylinderkopf 10 einer Brennkraftmaschine, der in 1 ausschnittsweise abgebildet ist, schließt eine Brennkammer 12 der Brennkraftmaschine nach oben ab. Durch den Zylinderkopf 10 führt ein Einlasskanal 14, über welchen Verbrennungsluft in die Brennkammer 12 geleitet werden kann. Der Einlasskanal 14 ist durch ein Ventil 16 verschließbar. Im Zylinderkopf 10 ist weiterhin eine Einspritzvorrichtung 18 vorgesehen, welche über einen ersten Einspritzkanal 20 Kraftstoff in die Brennkammer 12 einspritzen kann. Das dort entstehende Kraftstoff-Luftgemisch wird im Betrieb des Motors durch eine Zündkerze 22 gezündet. Der Einspritzvorrichtung 18 wird im Betrieb der Brennkraftmaschine Kraftstoff von einer Hochdruckkraftstoffpumpe mit Drücken von mehr als 50 bar zugeführt. Die direkte Einspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 12 ist besonders gut für den Betrieb der Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen und im Volllastbereich geeignet. Je nach Betriebsbedingungen kann die Einspritzung homogen – also unter gleichmäßiger Füllung der Brennkammer 12 mit Kraftstoff-Luftgemisch – oder im Schichtbetrieb – also mit inhomogener Verteilung des Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkammer 12 – erfolgen. Die Einspritzvorrichtung 18 weist zudem einen zweiten Einspritzkanal 24 auf, welcher in den Einlasskanal 14 für die Verbrennungsluft mündet. Durch ein Ventil 26 kann eingestellt werden, welche Kraftstoffmengen den ersten 20 und den zweiten Einspritzkanal 24 durchströmen. Damit ist eine Anpassung des Einspritzverhal tens der Brennkraftmaschine an den jeweiligen Betriebszustand möglich. Die Einspritzung über den zweiten Einspritzkanal 24 in den Einlasskanal 14 ist dabei besonders für niedrige Belastung der Brennkraftmaschine geeignet.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Abbildung zeigt einen breiteren Ausschnitt des Zylinderkopfes 10. Neben dem Einlasskanal 14 für die Verbrennungsluft ist hier auch ein Auslasskanal 28 für die Verbrennungsgase dargestellt. Auch der Auslasskanal 28 ist durch ein Ventil 30 verschließbar. Die Einspritzvorrichtung 18 ist zwischen dem Einlasskanal 14 und dem Auslasskanal 28 angeordnet. Der erste Einspritzkanal 20 mündet auch hier im Nahbereich der Zündkerze 22 in die Brennkammer 12 der Brennkraftmaschine. Der zweite Einspritzkanal 24 mündet in diesem Ausführungsbeispiel in den Einlasskanal 14 entgegen der Strömungsrichtung der Frischluft. Er weist zudem einen erweiterten Endbereich 32 auf. Diese Anordnung kann ebenso auf den Auslasskanal angewendet werden (zeichnerisch nicht dargestellt). Die Einspritzung von Kraftstoff in den Auslasskanal 28 dient dabei in Verbindung mit Sauerstoff im Auslasskanal insbesondere der Erhöhung der Abgastemperatur. Dies ist besonders beim Start des Fahrzeugs zum schnellen Aufheizen eines Katalysators vorteilhaft. Weiterhin kann die erhöhte Abgastemperatur im Auslasskanal 28 dazu genutzt werden, weitere Komponenten der Abgasanlage, wie beispielsweise Partikelfilter, zu regenerieren.

Claims

Brennkraftmaschine mit Fremdzündung für einen Kraftwagen mit wenigstens einer Brennkammer (12), der ein Einlasskanal (14) zum Ansaugen von Verbrennungsluft in die Brennkammer (12) und ein Auslasskanal (28) zum Abführen von Verbrennungsgasen aus der Brennkammer (12) zugeordnet sind, sowie einem ersten Einspritzkanal (20), der in die Brennkammer (12) mündet und mit einem Kraftstoffhochdrucksystem in Verbindung steht, damit Kraftstoff über den ersten Einspritzkanal (20) direkt in die Brennkammer (12) gedrückt wird, und mit einem zweiten Einspritzkanal (24), der in den Einlasskanal (14) oder den Auslasskanal (28) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einspritzkanal (24) mit dem Kraftstoffhochdrucksystem in Verbindung steht, so dass Kraftstoff über den zweiten Einspritzkanal (24) in den Einlasskanal (14) beziehungsweise den Auslasskanal (28) gedrückt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Drosselelement in dem zweiten Einspritzkanal (24), das den Druck von von dem Kraftstoffhochdrucksystem bereitgestellten Kraftstoff auf dessen Weg zum Einlasskanal (14) beziehungsweise Auslasskanal (28) verringert.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Ventil (26) zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts des ersten (20) und/oder des zweiten Einspritzkanals (24).
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Einspritzkanal (24) Kraftstoff gegen eine Strömungsrichtung des den Einlasskanal (14) oder Auslasskanal (28) durchströmenden Mediums einspritzbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Einspritzkanal (24) Kraftstoff in der Strömungsrich tung des den Einlasskanal (14) oder Auslasskanal (28) durchströmenden Mediums einspritzbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausschließlich über den ersten Einspritzkanal (20) Kraftstoff eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausschließlich über den zweiten Einspritzkanal (24) Kraftstoff eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Betriebszustand der Brennkraftmaschine über den ersten (20) und den zweiten Einspritzkanal (24) Kraftstoff eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einspritzens von Kraftstoff in den Einlasskanal (14) oder Auslasskanal (28) zusätzlich Luft in den Einlasskanal (14) oder Auslasskanal (28) eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Betriebszustände getaktet abwechselnd oder gleichzeitig während eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine eingenommen werden können.