DE102010029935A1

DE102010029935A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010029935A1
Application number: DE102010029935A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gutscher; Andreas Posselt; Marko Lorenz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: DE102010029935B4; CN102918240A; JP5746331B2; CN102918240B; US9885333B2; JP2013528261A; US20130139789A1; WO2011154232A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders (3) eines Verbrennungsmotors (2), wobei dem Zylinder (3) ein Luft-Kraftstoff-Gemisch über mindestens zwei Einlassabschnitte (8), die jeweils über ein Einlassventil (9) mit dem Zylinder (3) verbunden sind, zugeführt wird, wobei jedem der Einlassabschnitte (8) ein Einspritzventil (10) zugeordnet ist, wobei Kraftstoff in die Einlassabschnitte (8) zumindest zeitweise asynchron eingespritzt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, bei denen Kraftstoff in ein Saugrohr mit Hilfe von zwei Einspritzventilen eingespritzt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Ansteuerverfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit Hilfe von zwei Einspritzventilen in einem Verbrennungsmotor.
Stand der Technik
Es sind bislang Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen in einem Saugrohr für jeden Zylinder zwei Einspritzventile vorgesehen sind. So können bei einem derartigen Vier-Zylinder-Ottomotor acht Einspritzventile vorgesehen sein. Die zwei jeweils einem Zylinder zugeordneten Einspritzventile spritzen Kraftstoff in einen Bereich einer Verzweigung des Saugrohres ein, um ein dort gebildetes Luft-Kraftstoff-Gemisch durch zwei separate Einlassventile in den betreffenden Zylinder einzulassen. Dies hat bei Verbrennungsmotoren mit zwei Einlassventilen pro Zylinder den Vorteil, dass im Vergleich zu Verbrennungsmotoren mit nur einem Einspritzventil pro Zylinder weniger Kraftstoff auf einen Steg an der Verzweigung des Saugrohrs gerichtet wird und sich dort ablagert. Die Menge des abgelagerten Kraftstoffs ist nur aufwendig zu ermitteln, so dass die Dosierung der exakten Menge des in den Zylinder eingelassenen Kraftstoffs erschwert ist.
Ein wesentlicher Aspekt bei der Konstruktion eines Einspritzsystems für einen Verbrennungsmotor ist, dass zum Zeitpunkt der Zündung in dem Zylinder des Verbrennungsmotors ein möglichst homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt. Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird dieses Luft-Kraftstoff-Gemisch in dem Bereich vor den Einlassventilen erzeugt. Das durch die Einspritzventile in den entsprechenden Saugrohrbereich eingespritzte Kraftstoffspray verdampft dort und wird zum Einlasszeitpunkt in den betreffenden Zylinder durch eine entsprechende Kolbenbewegung eingesaugt. Dazu erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes in den entsprechenden Saugrohrabschnitt in der Regel zeitlich vorgelagert, so dass eine bestimmte Zeit für das Verdampfen der Kraftstofftröpfchen in dem Kraftstoffspray zur Verfügung steht. Dies ist insbesondere in den Betriebsbereichen mit höherer Last erforderlich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, bei dem eine bessere Durchmischung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Zylinder erreicht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei dem Zylinder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch über mindestens zwei Einlassabschnitte, die jeweils über ein Einlassventil mit dem Zylinder verbunden sind, zugeführt wird, wobei jedem der Einlassabschnitte ein Einspritzventil zugeordnet ist, wobei Kraftstoff in die Einlassabschnitte zumindest zeitweise asynchron eingespritzt wird.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, bei einem Verbrennungsmotor, bei dem die Einspritzung des Kraftstoffes in das Saugrohr durch zwei getrennt ansteuerbare Einspritzventile erfolgt, die Einspritzung so vorzunehmen, dass die Verdampfung des Kraftstoffsprays zumindest teilweise in den Zylindern erfolgt.
Eine andere Idee ist auch bei vorgelagerter Einspritzung die Dampfraten zu erhöhen. Dazu wird zusätzlich zur bisher vorgelagerten Einspritzung auch das Einspritzen des Kraftstoffes in das Saugrohr während des Öffnungszeitfensters der Einlassventile vorgenommen. Um die daraus üblicherweise entstehenden Nachteile zu vermeiden, nämlich eine inhomogene Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Zylinder bzw. eine nicht vollständige Verdampfung des Kraftstoffsprays zum Zündzeitpunkt, wird zusätzlich vorgesehen, die Einspritzventile asynchron zueinander anzusteuern, so dass eine bessere Verwirbelung des Kraftstoffes in den Zylindern bzw. im Saugrohr und damit eine bessere Durchmischung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erreicht wird. Dadurch ergibt sich u. a. eine verbesserte Dampfrate im Frischgemisch.
Ein weiterer Vorteil dieser Betriebsart besteht darin, dass der Verbrennungsmotor in einem Teillastbereich mit einer erhöhten Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) betrieben werden kann, was sich wiederum verbrauchsreduzierend auswirkt.
Weiterhin kann während einer Einspritzphase nur eines der Einlassventile Kraftstoff in den entsprechenden Einlassabschnitt einspritzen.
Gemäß einer Ausführungsform kann Kraftstoff in die Einlassabschnitte jeweils für eine Zeitdauer durch ein Einspritzventil eingespritzt werden, wobei die Zeitdauer eine Dauer aufweist, die zwischen 2% und 30% der Dauer der Einspritzphase der Einlassventile entspricht.
Insbesondere kann Kraftstoff in die Einlassabschnitte im Wechsel eingespritzt werden.
Weiterhin kann Kraftstoff in die Einlassabschnitte nur vorgelagert zu einem Einlasszeitfenster, während dem die Einlassventile in den Zylinder geöffnet sind, nur während des Einlasszeitfensters oder vorgelagert und während des Einlasszeitfensters eingespritzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Steuern eines Zuführens von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei dem Zylinder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch über mindestens zwei Einlassabschnitte, die jeweils über ein Einlassventil mit dem Zylinder verbunden sind, zugeführt wird, wobei jedem der Einlassabschnitte ein Einspritzventil zugeordnet ist. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um die Einspritzventile so anzusteuern, dass Kraftstoff in die Einlassabschnitte zumindest zeitweise asynchron eingespritzt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und mit der obigen Vorrichtung vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, dem Kraftstoff durch eine Saugrohreinspritzung mit zwei Einspritzventilen pro Zylinder zugeführt wird; und
2 zeigt einen Vergleich der Kraftstoffeinspritzung beim Stand der Technik und gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Zuführen von Kraftstoff.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 2 ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Ottomotor, kann jedoch andere Arten von Verbrennungsmotoren 2 umfassen. Der Verbrennungsmotor 2 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Zylinder 3 auf. Die Zahl der Zylinder 3 ist nicht auf vier beschränkt, sondern es kann jede andere beliebige Anzahl von Zylindern 3 in dem Verbrennungsmotor 2 vorgesehen sein.
In den Zylindern 3 werden in bekannter Weise jeweils gemäß einem Vier-Takt-Betrieb ein Verbrennungstakt, ein Abgasausstoßtakt, ein Ansaugtakt und ein Verdichtungstakt ausgeführt.
Den Zylindern 3 wird über ein Luftzuführungssystem 4 Frischluft zugeführt. In dem Luftzuführungssystem 4 ist eine Drosselklappe 5 angeordnet, um die Menge an zugeführter Luft gemäß einer vorgegebenen Ansteuerung einzustellen. Der Bereich zwischen der Drosselklappe 5 und den Zylindern 3 wird als Saugrohr bezeichnet. Das Luftzuführungssystem 4 verzweigt sich in einem Bereich 6 des Saugrohrs stromabwärts der Drosselklappe 5 auf die mehreren Zylinder 3. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verzweigt sich das Luftzuführungssystem 4 in vier Zuführungsabschnitte 7. Vor dem Einlassen der über die Luftzuführungsabschnitte 7 den Zylindern 3 zugeführten Luft verzweigt sich der Luftzuführungsabschnitt 7 in zwei Einlassabschnitte 8, die an dem jeweiligen Zylinder 3 enden. Die durch die Einlassabschnitte 8 zugeführte Luft wird mit Hilfe von an dem betreffenden Zylinder 3 angeordneten Einlassventilen 9 zu geeigneten Einlasszeitfenstern in den betreffenden Zylinder 3 eingelassen.
Unmittelbar vor der Verzweigung des Luftzuführungsabschnittes 7 in die Einlassabschnitte 8 sind Einspritzventile 10 vorgesehen. Die Einspritzventile 10 sind zu den Einlassabschnitten 8 so angeordnet, dass der Spraykegel des durch sie eingespritzten Kraftstoffsprays beim Einspritzen von Kraftstoff möglichst in den jeweiligen Einlassabschnitt 8 hineinreicht, so dass sich an einem Steg 11 an der Verzweigungsstelle des Zuführungsabschnittes 7 eine möglichst geringe Menge an Kraftstoff anlagern kann.
Das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das über die Einlassventile 9 in die Zylinder 3 eingelassen worden ist, wird zu einem gemäß der Ansteuerung vorgegebenen Zündzeitpunkt mit Hilfe einer Zündeinrichtung 12 gezündet. Die so ausgelöste Verbrennung bewirkt eine Expansion des Brennraumes durch eine entsprechende Bewegung eines in den Zylindern 3 angeordneten Kolbens (nicht gezeigt) und bewirkt so ein Antriebsmoment des Verbrennungsmotors 2.
In dem nachfolgenden Abgasausstoßtakt wird der Brennraum des betreffenden Zylinders 3 wieder verkleinert, indem der Kolben eine Kompressionsbewegung durchführt. Während dieser Abgasausstoßbewegung werden eines oder mehrere (im vorliegenden Fall zwei) Auslassventile 15 geöffnet, wodurch die in dem Zylinder 3 vorhandenen Verbrennungsabgase in einen Abgasabführungsabschnitt 16 ausgestoßen werden. Die Verbrennungsabgase werden dann über einen etwaigen Katalysator (nicht gezeigt) in die Umgebung abgeführt.
Das Motorsystem 1 wird mit Hilfe eines Steuergerätes 20 betrieben, entsprechend einer Vorgabe V, die beispielsweise einem bereitzustellenden Antriebsmoment entsprechen kann. Beispielsweise kann diese Vorgabe einem Fahrerwunschmoment entsprechen, wenn das Motorsystem 1 ein Motorsystem eines Kraftfahrzeuges ist. Die Ansteuerung durch das Steuergerät 20 erfolgt durch Einstellen von Stellgebern, wie beispielsweise des Drosselklappenstellgebers zum Einstellen der Drosselklappe 5, der Einspritzventile 10, wobei ein Einspritzzeitpunkt und die Einspritzzeitdauer festgelegt werden, der Zündvorrichtung zum Zünden der Zündeinrichtung 12, wobei der Zündzeitpunkt festgelegt wird, und weiteren Stellgebern.
Die Ansteuerung erfolgt abhängig von der Vorgabe V sowie von Zustandsgrößen des Motorsystems 1, die durch entsprechende Sensoren erfasst und/oder aus anderen Zustandsgrößen und/oder deren dynamischem Verhalten modelliert werden können. Derartige Zustandsgrößen können beispielsweise den Saugrohrdruck in dem Saugrohr, die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, die Last des Verbrennungsmotors 2, die Abgastemperatur und andere Zustandsgrößen sein.
Bei einer herkömmlichen Ansteuerung eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen Konfiguration, d. h. mit zwei Einspritzventilen in einem in zwei Einlassabschnitte verzweigten Saugrohr, wird in der Regel die Einspritzung zeitlich vorgelagert ausgeführt. D. h. es wird Kraftstoff in die Einlassabschnitte 8 eingespritzt, bevor die Einlassventile 9 das Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Zylinder 3 einlassen.
Eine Darstellung einer solchen Einspritzung ist in dem oberen Teil der 2 dargestellt. Dort sind die zeitlichen Verläufe der Ventilhübe ENW der Einlassventile und der Ventilhübe ANW der Auslassventile dargestellt. In zeitlichem Bezug hierzu sind darunter Ansteuersignale EA1, EA2 für die Einspritzventile bei einer vorgelagerten Einspritzung gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Als unterstes sind Ansteuersignale EA1, EA2 für die Einspritzventile bei einer Einspritzung gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren dargestellt.
Bei dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik werden vor der Öffnung der Einlassventile 9 die beiden einem Zylinder 3 zugeordneten Einspritzventile 10 gleichzeitig angesteuert. Dadurch wird die gesamte Kraftstoffmenge in das Saugrohr bzw. in die Einlassabschnitte 8 eingespritzt, bevor die Einlassventile 9 geöffnet werden. Auf diese Weise kann nahezu der gesamte Kraftstoff bereits vor dem Öffnen der Einlassventile 9 in dem Einlassabschnitt 8 verdampfen und so das fertige Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder 3 eingelassen werden.
Einen verbesserten Betrieb erhält man beispielsweise auch, wenn die Einspritzventile 10 gemäß der unteren Darstellung der Ansteuersignale der Einspritzventile 10 asynchron angesteuert werden. Bei dem Einströmen des Kraftstoffs in den Brennraum entstehen Inhomogenitäten der Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, die zu einer unregelmäßigen Verbrennung mit verschlechterten Emissionswerten führen können. Um eine noch bessere Verwirbelung des Kraftstoffsprays in dem Brennraum zu erreichen, ist nun vorgesehen, dass Kraftstoffspray zu verschiedenen Zeiträumen durch die einem jeweiligen Zylinder 3 zugeordneten Einspritzventile 10 eingespritzt wird.
Diese asynchrone Ansteuerung kann vor und/oder während der Phase erfolgen, während der die Einlassventile 9 geöffnet sind. Dadurch entsteht eine Verwirbelung. Es gelangt zumindest ein Teil des Kraftstoffsprays in den Brennraum des betreffenden Zylinders 3 und verdampft erst dort, wodurch der Brennraum insgesamt gekühlt wird. Dadurch kann insbesondere bei Volllast die Klopfneigung des Verbrennungsmotors 2 erheblich reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann wie in 2 gezeigt die Einspritzung wechselweise erfolgen. Dabei wird beginnend mit einem ersten der Einspritzventile 10 ein Einspritzen von Kraftstoff für eine erste Einspritzdauer t1 vorgenommen. Nach Ablauf der ersten Einspritzdauer t1 wird das Einspritzen von Kraftstoff durch das erste Einspritzventil 10 beendet und ein Einspritzen von Kraftstoff für eine zweite Zeitdauer t2 durch ein zweites der Einspritzventile 10 vorgenommen. Nach Beenden der zweiten Zeitdauer t2 wird erneut ein Einspritzen mit dem ersten Einspritzventil 10 vorgenommen und der Vorgang wiederholt sich. Dieses wechselweise Einspritzen kann während der gesamten Phase durchgeführt werden, während der die Einspritzung von Kraftstoff erfolgen soll. Die erste und zweite Zeitdauer t1, t2 können die gleiche zeitliche Dauer oder verschiedene Dauern aufweisen. Die ersten und zweiten Zeitdauern t1, t2 können jeweils einer Zeitdauer zwischen 2% und 30% der Dauer der gesamten Einspritzphase entsprechen, vorzugsweise zwischen 10 und 20% der Dauer der gesamten Einspritzphase.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Einspritzung auch während sich teilweise überlappender Zeitfenster erfolgt. Um die gewünschte zusätzliche Verwirbelung des Kraftstoffssprays beim Einlassen in den Brennraum des Zylinders zu erreichen, ist es notwendig, dass während eines Zeitfensters innerhalb der Phase der Öffnung der Einlassventile 9 kein gleichzeitiges Einspritzen von Kraftstoff mit beiden Einspritzventilen 10 erfolgt.

Claims

Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders (3) eines Verbrennungsmotors (2), wobei dem Zylinder (3) ein Luft-Kraftstoff-Gemisch über mindestens zwei Einlassabschnitte (8), die jeweils über ein Einlassventil (9) mit dem Zylinder (3) verbunden sind, zugeführt wird, wobei jedem der Einlassabschnitte (8) ein Einspritzventil (10) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff in die Einlassabschnitte (8) zumindest zeitweise asynchron eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während einer Einspritzphase nur eines der Einspritzventile (10) Kraftstoff in den entsprechenden Einlassabschnitt (8) einspritzt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Kraftstoff in die Einlassabschnitte (8) jeweils für eine Zeitdauer durch ein Einspritzventil (10) eingespritzt wird, wobei die Zeitdauer eine Dauer aufweist, die zwischen 2% und 30% der Dauer der Einspritzphase der Einspritzventile (10) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Kraftstoff in die Einlassabschnitte (8) im Wechsel eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Kraftstoff in die Einlassabschnitte (8) nur vorgelagert zu einem Einlasszeitfenster, während dem die Einlassventile in den Zylinder (3) geöffnet sind, nur während des Einlasszeitfensters oder vorgelagert und während des Einlasszeitfensters eingespritzt wird.
Vorrichtung zum Steuern eines Zuführens von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders (3) eines Verbrennungsmotors (2), wobei dem Zylinder (3) ein Luft-Kraftstoff-Gemisch über mindestens zwei Einlassabschnitte (8), die jeweils über ein Einlassventil (9) mit dem Zylinder (3) verbunden sind, zugeführt wird, wobei jedem der Einlassabschnitte (8) ein Einspritzventil (10) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, um die Einspritzventile (10) so anzusteuern, dass Kraftstoff in die Einlassabschnitte (8) zumindest zeitweise asynchron eingespritzt wird.
Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit einer Vorrichtung nach Anspruch 6.
Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführt.