DE102010014824A1

DE102010014824A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010014824A1
Application number: DE102010014824A
Authority: DE
Inventors: Peter Weiland; Andreas Weigand; Dr. Kastner Oliver; Dr. Atzler Frank
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-04-14
Also published as: DE102010014824B4

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine beschrieben. Bei dem Verfahren wird die Einspritztiefe des Einspritzstrahles eines Injektors selektiv für bestimmte Einspritzvorgänge verringert. Dies wird durch individuelle Einstellung des Injektornadelhubes derart, dass der Drosselspalt des Injektors nur teilweise geöffnet wird, erreicht. Hierdurch wird eine Benetzung der zugehörigen Brennraumwand mit Kraftstoff während bestimmter Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, beispielsweise während des Kaltstartes oder Warmlaufens derselben oder während einer Regenerationsphase eines zugehörigen Partikelfilters, verhindert bzw. reduziert. Des Weiteren wird eine Brennkraftmaschine beschrieben, die eine Steuereinheit zur Durchführung eines derartigen Verfahrens aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Form eines Einspritzstrahles in einen einen Kolben aufweisenden Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist, wobei der Injektor mindestens ein Spritzloch und eine direkt angetriebene Injektornadel umfasst, die mit einer Innenwand des Injektors einen durch den Hub der Injektornadel einstellbaren Drosselstrahl definiert.
Es gibt bestimmte Betriebsphasen von Brennkraftmaschinen, bei denen eine unvollständige Verbrennung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs im Bereich der Kraftstoffwandung stattfindet. Hierdurch können beispielsweise vermehrt hohe Partikel-, CO- und/oder HC-Emissionen auftreten. Des Weiteren kann auch der unverbrannte Kraftstoff, der auf die Brennraumwand (Zylinderwand) trifft, vom Kolben über den Ölabstreifring dem Motoröl zugeführt werden und dieses verdünnen. Diese Erscheinungen sind unerwünscht, da sie einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine verhindern bzw. behindern und insbesondere zu erhöhten Emissionen sowie einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich die Ablagerung von unverbranntem Kraftstoff auf der Brennraumwandung und/oder die Erzeugung von Ablagerungen auf dieser vermeiden bzw. reduzieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Einspritztiefe des Einspritzstrahles selektiv für bestimmte Einspritzvorgänge durch Einstellung des Injektornadelhubes gegenüber dem bei Normalbetrieb derart, dass der Drosselspalt nur teilweise geöffnet wird, verringert wird.
Der Erfindung liegt somit der Gedanke zugrunde, in bestimmten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, die mit den vorstehend aufgezeigten Nachteilen der Ablagerung von unverbranntem Kraftstoff auf der Brennraumwandung bzw. der Erzeugung von Ablagerungen auf dieser verbunden sind, die Einspritztiefe des Einspritzstrahles des Injektors selektiv zu verringern, um damit einen direkten Kontakt des Einspritzstrahles mit der Brennraumwandung (der kalten Zylinderwand) zu vermeiden bzw. zu verringern. Die Einspritztiefe wird daher gegenüber der Einspritztiefe während des Normalbetriebes der Brennkraftmaschine reduziert. Dies wird durch eine Steuerung bzw. Einstellung des Injektornadelhubes erreicht, und zwar derart, dass der Drosselspalt nur teilweise geöffnet wird, wodurch der Druck unterhalb des Drosselspaltes des Injektors verringert wird und der Einspritzstrahl an Eindringtiefe verliert. Eine selektive Einstellung bzw. Variation der Einspritztiefe kann dabei nur für bestimmte Einspritzvorgänge oder für sämtliche Einspritzvorgänge während einer Betriebsphase, bei der die eingangs aufgezeigten Probleme auftreten, durchgeführt werden. Die entsprechenden Betriebsphasen können dabei detektiert und der Injektor kann von einer zugehörigen Steuervorrichtung angesteuert werden, um den Hub der Injektornadel entsprechend einzustellen, zu variieren oder zu reduzieren, damit die gewünschte Verringerung des Drosselspaltes erreicht wird. Wie erwähnt, können auch bestimmte Einspritzvorgänge während einer derartigen Betriebsphase individuell ausgewählt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine (Dieselmotor) eingesetzt, wobei es insbesondere bei einer Brennkraftmaschine mit Common-Rail durchgeführt wird. Bei einer derartigen Brennkraftmaschine ist eine Vielzahl von Injektoren an eine gemeinsame Kraftstoffversorgungsleitung (Common-Rail) angeschlossen, die sämtliche Injektoren mit unter gleichem Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher bei dieser Ausführungsform vorzugsweise bei gleichem Raildruck durch Variation des Injektornadelhubes der Druck unterhalb des Drosselspaltes eines Injektors individuell verändert bzw. reduziert, um die Einspritztiefe des jeweiligen Injektors individuell zu verringern.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Einspritzvorgang, der während des Kaltstarts und/oder Warmlaufens der Brennkraftmaschine getätigt wird, mit verringerter Einspritztiefe durchgeführt. Beim Kaltstart von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, und in der Warmlaufphase treten nämlich vermehrt hohe CO- und HC-Emissionen auf, die auf eine unvollständige Verbrennung insbesondere in Brennraumwandnähe zurückzuführen sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch eine Limitierung der Einspritztiefe des Einspritzstrahles ein Kontakt des Einspritzstrahles mit der Brennraumwand vermieden bzw. reduziert. Im Falle des Kaltstarts und während des Motorwarmlaufs werden daher vorzugsweise die Einspritzungen, die zu Zeitpunkten stattfinden, bei denen sich der Kolben nicht im zum oberen Totpunkt benachbarten Bereich befindet, mit geringerer Strahleindringtiefe (im Vergleich zu der Strahleindringtiefe bei Normalbetrieb) gefahren, so dass Wandanlagerungen bzw. Wandablagerungen oder eine unvollständige Verbrennung in Wandnähe vermieden wird. Hierdurch werden die HC-, CO- und/oder Partikel-Emissionen abgesenkt, und es wird ein geringerer Kraftstoffverbrauch erreicht. Des Weiteren werden höhere Freiheitsgrade bei der Wahl der Einspritzzeitpunkte gewonnen.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Einspritzvorgang, der für die Regenerationsphase eines Partikelfilters der Brennkraftmaschine betätigt wird, mit verringerter Einspritztiefe durchgeführt.
Aktuelle PKW mit Dieselmotoren weisen zur Vermeidung von Rußemissionen einen Partikelfilter auf. Dieser wird während des Fahrbetriebs mit Ruß beladen. Da die Kapazität des Filters nicht unbegrenzt ist, wird er durch einen gezielten Abbrand des eingelagerten Rußes regeneriert. Die für den Abbrand (Oxidation) der eingelagerten Rußpartikel notwendige Energie wird aus dem Abgas gewonnen. Eine entsprechend hohe Abgastemperatur steht jedoch nicht während aller Fahrzustände zur Verfügung und muss daher erzeugt werden. Dies wird erreicht, indem zusätzlich Kraftstoff eingespritzt wird und zwar dann, wenn die eingebrachte Energie hauptsächlich in Wärme umgewandelt wird. Zu diesen Zeitpunkten sind jedoch große Bereiche der Brennraumwand (Zylinderwand) für die Einspritzstrahlen frei zugänglich, da sich der Kolben abwärts in Richtung des unteren Totpunktes bewegt. Der eingespritzte Kraftstoff, der auf die Brennraumwand trifft, wird vom Kolben über den Ölabstreifring dem Motoröl zugeführt und verdünnt dieses. Dieser unerwünschte Effekt der Ölverdünnung begrenzt die Freiheitsgrade bei der Wahl der optimalen Einspritzzeitpunkte für den Regenerationsbetrieb.
Bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren wird durch einspritzimpulsindividuelles Limitieren des Injektornadelhubs der Druck unterhalb des Drosselspaltes des Injektors reduziert und damit die Strahleindringtiefe verringert. Auch hierbei ist es während eines Arbeitsspieles bei gleichem Raildruck möglich, die Strahleindringtiefe selektiv zu variieren bzw. zu reduzieren.
Die Reduktion der Eindringtiefe ist durch die Verwendung eines Injektors mit direkt angetriebener und positionsgeregelter Injektornadel möglich. Dabei wird der Hub der Injektornadel so eingestellt, dass der Drosselspalt für die regenerativen Einspritzungen nur zum Teil geöffnet wird und sich somit der Druckabfall über den Nadelsitz erhöht und der Einspritzstrahl an Eindringtiefe verliert.
Hierdurch wird eine geringere Ölverdünnung erreicht. Die Ölwechselintervalle werden verlängert. Der Einspritzzeitpunkt für die Regeneration des Partikelfilters wird frei wählbar und ist nicht durch die Wandbenetzung limitiert. Es werden ein geringerer Kraftstoffverbrauch und geringere HC-Emissionen möglich.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, die eine Steuereinheit zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens aufweist. Die Steuereinheit kann eine Phase der Brennkraftmaschine detektieren, während der eine Reduzierung der Einspritztiefe von einem oder mehreren Injektoren stattfinden soll, und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Detektion einen oder mehrere Injektoren ansteuern. Da diese Injektoren Injektornadeln mit (mechanischem) Direktantrieb aufweisen, kann der Antrieb der Injektornadel individuell für jeden gewünschten Einspritzvorgang so angesteuert werden, dass sich ein reduzierter Hub der Injektornadel und damit nur ein teilweise geöffneter Drosselspalt ergibt, der zu einer Verringerung des Drucks unterhalb des Drosselspaltes des Injektors und damit zu einer Verringerung der Einspritztiefe des abgegebenen Einspritzstrahles führt. Wie erwähnt, kann dies beispielsweise während Betriebsphasen der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, die einem Kaltstart bzw. einer Warmlaufphase oder einer Regenerationsphase des Partikelfilters der Brennkraftmaschine entsprechen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Teilvertikalschnitt durch einen Injektor, wobei insbesondere der Drosselspalt und die Injektornadel des Injektors dargestellt sind;
2 zwei schematische Darstellungen von Einspritzvorgängen, wobei die linke Darstellung einen Einspritzvorgang mit normaler Einspritztiefe und die rechte Darstellung einen Einspritzvorgang mit verringerter Einspritztiefe zeigen;
3 Diagramme, die den Nadelhub in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel bei mehreren Einspritzungen zeigen, wobei das obere Diagramm eine konventionelle Einspritzung und das untere Diagramm eine erfindungsgemäß durchgeführte Einspritzung zeigen; und
4 ein Diagramm, das den Nadelhub in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel zeigt, wobei im linken Bereich Einspritzimpulse im Normalbetrieb zur Drehmomenterzeugung und im rechten Bereich Einspritzimpulse im Regenerationsbetrieb für einen Partikelfilter dargestellt sind.
1 zeigt schematisch im Vertikalschnitt einen Teil eines Injektors, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung findet. Der Injektor besitzt eine Injektornadel 1 sowie ein Injektorgehäuse 6. In einer Kraftstoffzuleitung 4 herrscht der an einem Common-Rail (nicht dargestellt), an den der Injektor angeschlossen ist, anliegende Systemdruck. In der Figur unterhalb der Spitze der Injektornadel 1 befindet sich ein Bereich 2, von dem Spritzlöcher 5 in den Brennraum einer zugehörigen Brennkraftmaschine (in einen Zylinder eines Dieselmotors) führen. Zwischen der Innenwand des Injektorgehäuses 6 und der konisch ausgebildeten Injektornadelspitze befindet sich ein einstellbarer Drosselspalt 3. Die Injektornadel 1 wird direkt mechanisch angetrieben. Beispielsweise bewegt sich die Injektornadel 1 in vertikaler Richtung nach unten, wobei sich aufgrund dieser Bewegung der Öffnungsquerschnitt des Drosselspalts 3 verringert. Der Raildruck in der Kraftstoffzuleitung bleibt dabei jedoch immer annähernd konstant. Der Spritzlocheintrittsdruck hingegen nimmt mit immer kleinerem Öffnungsquerschnitt des Drosselspalts 3 ab. Dies führt zu einer geringeren Einspritztiefe des Einspritzstrahles in den Brennraum.
2 zeigt zwei Einspritzvorgänge, links mit normaler Einspritztiefe und rechts mit verringerter Einspritztiefe. Bei dem in 2 links dargestellten Einspritzvorgang ist der Drosselspalt 3 weit geöffnet, so dass sich ein Einspritzstrahl 11 mit normaler Eindringtiefe ergibt, bei dem der Einspritzstrahl die Wand 10 des Brennraumes 8 kontaktiert. Der Injektor ist hierbei schematisch bei 7 dargestellt. Bei der in 2 rechten Darstellung ist der Drosselspalt 3 soweit verengt, dass sich bei geringerem Sacklochdruck nur noch ein Einspritzstrahl 12 mit verringerter Eindringtiefe ergibt, bei der der eingespritzte Strahl 12 die Wand 10 des Brennraumes 8 nicht mehr kontaktiert.
3 zeigt Diagramme von entsprechenden Einspritzimpulsen während der Kaltstart- bzw. Warmlaufphase eines Dieselmotors. Die obere Darstellung zeigt die konventionelle Vorgehensweise, bei der sämtliche Einspritzimpulse bei einem Nadelhub von 100% zu Einspritzstrahlen mit voller Einspritztiefe führen. Mit 13 ist ein Einspritzimpuls am oberen Totpunkt bezeichnet, während mit 14 Einspritzimpulse vor Erreichen des oberen Totpunktes gekennzeichnet sind.
Das untere Diagramm zeigt die Vorgehensweise bei dem erfinderischen Verfahren. Hierbei weisen die Einspritzimpulse 15 vor dem Einspritzimpuls 13 am oberen Totpunkt Einspritzstrahlen mit reduzierter Eindringtiefe auf. Der Injektor arbeitet daher hier nur mit einem verringerten bzw. limitierten Nadelhub, der die reduzierte Eindringtiefe bewirkt.
4 zeigt ein Diagramm, bei dem links Einspritzimpulse im Normalbetrieb zur Drehmomenterzeugung der Brennkraftmaschine dargestellt sind, während rechts Einspritzimpulse während eines durchgeführten Regenerationsbetriebes für einen Partikelfilter der Brennkraftmaschine gezeigt sind. Die Einspritzimpulse bei Normalbetrieb sind mit 16 und 17 bezeichnet. Im Regenerationsbetrieb werden Einspritzimpulse 18 mit gegenüber dem Einspritzimpuls 16 verringertem Injektornadelhub erzeugt, die zu einer verringerten Einspritztiefe der Einspritzstrahlen führen.
Um die geringere Einspritztiefe zu erreichen, wird der Antrieb der direkt mechanisch angetriebenen Injektornadel 1 von einer Steuereinheit, die beispielsweise eine Betriebsphase, während der die Einspritztiefe reduziert werden soll, erfasst, so angesteuert, dass der Hub der Injektornadel 1 zur Reduzierung des Drosselspaltes 3 entsprechend eingestellt wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Form eines Einspritzstrahles in einen einen Kolben aufweisenden Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist, wobei der Injektor mindestens ein Spritzloch und eine direkt angetriebene Injektornadel umfasst, die mit einer Innenwand des Injektor einen durch den Hub der Injektornadel einstellbaren Drosselspalt definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritztiefe des Einspritzstrahles selektiv für bestimmte Einspritzvorgänge durch Einstellung des Injektornadelhubes gegenüber dem bei Normalbetrieb derart, dass der Drosselspalt nur teilweise geöffnet wird, verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einspritzvorgang, der während des Kaltstarts und/oder Warmlaufens der Brennkraftmaschine getätigt wird, mit verringerter Einspritztiefe durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einspritzvorgang, der während des Kaltstarts und/oder Warmlaufens der Brennkraftmaschine zu einem Zeitpunkt getätigt wird, bei dem sich der Kolben nicht in einem zum oberen Totpunkt benachbarten Bereich befindet, mit verringerter Einspritztiefe durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einspritzvorgang, der für die Regenerationsphase eines Partikelfilters der Brennkraftmaschine getätigt wird, mit verringerter Einspritztiefe durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer Brennkraftmaschine mit Common-Rail bei gleichem Raildruck eingesetzt wird.
Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.