DE102010036574A1

DE102010036574A1 - Internal combustion engine operating method, involves directly injecting fuel into combustion chamber during full load operation of combustion engine by valve gap of inlet valve, which is in open state

Info

Publication number: DE102010036574A1
Application number: DE201010036574
Authority: DE
Inventors: Dr. Liesen Wolfgang
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26

Abstract

The method involves injecting fuel by an injection nozzle (7) during partial load operation of an internal combustion engine (1) when an inlet valve (3) is closed such that the fuel is partially vaporized in an intake channel (5). The fuel is directly injected into a combustion chamber (6) during a full load operation of the combustion engine by a valve gap (12) of the inlet valve, which is in an open state. Regular or irregular injection pulses are produced by the injector nozzle during a phase of the closed and/or opened inlet valves. An independent claim is also included for an internal combustion engine comprising a cylinder.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer im Bereich eines Einlasskanals und vor einem Einlassventil angeordneten Einspritzdüse. Die Erfindung betrifft außerdem eine nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine having at least one injection nozzle arranged in the region of an inlet channel and upstream of an inlet valve. The invention also relates to an internal combustion engine operating according to this method.

Aus der US 2002/0129794 A1 ist ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem innerhalb eines Einlasskanals vor einem Einlassventil eine Einspritzdüse angeordnet ist. Diese Einspritzdüse ist dabei derart ausgerichtet, dass sie den einzuspritzenden Kraftstoff bei geöffnetem Einlassventil in einen Ventilspalt zwischen einem Ventilteller des Einlassventils und einem Ventilsitz in einen Brennraum einspritzt.From the US 2002/0129794 A1 An injection system for an internal combustion engine is known in which an injection nozzle is arranged within an inlet channel in front of an inlet valve. This injection nozzle is aligned such that it injects the fuel to be injected with the inlet valve open in a valve gap between a valve disk of the inlet valve and a valve seat in a combustion chamber.

Aus der DE 37 13 628 A1 ist ein Ansaugsystem für Brennkraftmaschinen bekannt, mit einem Hauptansaugkanal, der durch eine Ansaugöffnung in einen Brennraum führt sowie ferner ein von dem Hauptansaugkanal abzweigenden und wieder in ihn einmündenden Hilfsansaugkanal, der im Hochlastbetrieb der Brennkraftmaschine offen und im Niedriglastbetrieb der Brennkraftmaschine geschlossen ist. Darüber hinaus ist ein Einspritzventil vorgesehen, das in dem Hilfsansaugkanal in der Nähe der Stelle angeordnet ist, an der die Ansaugöffnung in den Brennraum mündet.From the DE 37 13 628 A1 an intake system for internal combustion engines is known, with a Hauptansaugkanal, which leads through an intake opening into a combustion chamber and further branching off from the Hauptansaugkanal and re-opening into him Hilfsansaugkanal which is open in high load operation of the engine and in the low-load operation of the internal combustion engine. In addition, an injection valve is provided which is arranged in the auxiliary intake passage in the vicinity of the point at which the intake port opens into the combustion chamber.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit welchem insbesondere ein verbessertes Emissionsverhalten erreicht werden kann.The present invention addresses the problem of providing an improved method for operating an internal combustion engine, with which, in particular, an improved emission behavior can be achieved.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine in einem Bereich eines Einlasskanals vor einem Einlassventil angeordnete Einspritzdüse zumindest in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine Kraftstoff bei geschlossenem Einlassventil in den Einlasskanal einzuspritzen, so dass dieser zumindest teilweise bereits im Einlasskanal verdampft, wobei die Einspritzdüse in einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine Kraftstoff durch einen Ventilspalt des geöffneten Einlassventils direkt in den dahinter angeordneten Brennraum einspritzt.The present invention is based on the general idea of injecting an injection nozzle arranged in an area of an inlet channel upstream of an inlet valve into the inlet channel at least in a partial load operation of the internal combustion engine with the intake valve closed, so that it evaporates at least partially already in the inlet channel, wherein the injection nozzle in one Full load operation of the internal combustion engine injects fuel through a valve gap of the open inlet valve directly into the combustion chamber arranged behind it.

Durch die hierdurch erreichbare relativ lange Vorlagerungszeit kann im Teillastbetrieb eine Gemischverdampfung bereits im Einlasskanal erreicht werden, wodurch eine gute Homogenisierung des anschließend im Brennraum zu verbrennenden Gemischs erreicht wird und dadurch deutliche Vorteile bei der Ruß- und Partikelemission erzielt werden können.As a result of the relatively long storage time that can be achieved as a result, a mixture evaporation can already be achieved in the inlet channel during partial load operation, whereby a good homogenization of the mixture subsequently to be burned in the combustion chamber is achieved and clear advantages in the soot and particulate emission can be achieved.

Hinsichtlich des Volllastbetriebs kann durch eine entsprechende Positionierung der Einspritzdüse und eine entsprechende geometrische Ausbildung eines einzuspritzenden Kraftstoffstrahls erreicht werden, dass dieser beim Einspritzen möglichst weder einen Ventilschaft noch einen Ventilteller des Einspritzventils trifft. Hierbei können insbesondere so genannte Mehrlocheinspritzdüsen verwendet werden, die einen hohen Freiheitsgrad bei der Ausbildung mehrerer Einzelstrahlen ermöglichen. Neben der Anordnung der Einspritzdüse oberhalb des Einlasskanals ist auch generell eine flache Anordnung der Einspritzdüse unterhalb des Einlasskanals denkbar, so dass in diesem Fall die Einspritzdüse derart positioniert werden kann, dass die Einzelstrahlen des einzuspritzenden Kraftstoffs weder den Ventilschaft noch den Ventilteller treffen und damit durch einen offenen Ventilringspalt in den dahinterliegenden Brennraum eingespritzt werden können. Hierbei kann der Kraftstoff saugsynchron, das heißt während eines Ansaughubes, eingespritzt werden, wobei durch die oben beschriebene Einspritztechnik, bei welcher weder Einlasskanal- noch Ventiloberflächen nach Möglichkeit benetzt werden, die notwendige Wärme zur Verdampfung des Kraftstoffs der angesaugten Frischluft und nicht umliegenden Bauteilwänden entnommen wird. Im Volllastbetrieb hat dies eine gesteigerte Dichte und zugleich eine geringere Klopfempfindlichkeit der Zylinderfüllung zur Folge.With regard to the full load operation can be achieved by a corresponding positioning of the injection nozzle and a corresponding geometric formation of a fuel jet to be injected that this impinges when injecting as possible neither a valve stem nor a valve disc of the injection valve. In this case, in particular so-called multi-hole injection nozzles can be used, which allow a high degree of freedom in the formation of multiple individual beams. In addition to the arrangement of the injection nozzle above the inlet channel and a flat arrangement of the injection nozzle below the inlet channel is also conceivable, so that in this case the injection nozzle can be positioned so that the individual jets of the fuel to be injected neither the valve stem nor the valve disc and thus hit by a open valve ring gap can be injected into the underlying combustion chamber. In this case, the fuel can be injected synchronously, that is to say during an intake stroke, whereby the necessary heat for evaporating the fuel of the intake fresh air and not surrounding component walls is removed by the injection technique described above, in which neither inlet duct nor valve surfaces are wetted as far as possible , In full load operation this has an increased density and at the same time a lower knock sensitivity of the cylinder filling result.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Einspritzdüse mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe verbunden, durch die Einspritzdrücke von mehr als 50 bar bzw. mehr als 100 bar möglich sind. Vorzugsweise wird der Kraftstoff zur Erzielung intensiver Zerstäubung mit einem Druck von 100 bar bis 250 bar oder von 120 bar bis 200 bar eingespritzt, wobei sich die vorliegende Erfindung auch für Einspritzdrücke zwischen 50 bar und 100 bar auch eignet. Das führt zu einer feinen Zerstäubung der Kraftstofftröpfchen und somit zu einer schnellen Verdampfung des Kraftstoffes. Darüber hinaus wird durch ein solches Hochdrucksystem, insbesondere im Volllastbetrieb, eine mehrfache Einspritzung pro Arbeitsspiel ermöglicht, bei der die Gesamtkraftstoffmenge innerhalb der Ventilöffnungsphase getaktet durch den Spalt in den Brennraum eingespritzt werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, the injection nozzle is connected to a high-pressure fuel pump through which injection pressures of more than 50 bar or more than 100 bar are possible. Preferably, the fuel to achieve intensive atomization at a pressure of 100 bar to 250 bar or injected from 120 bar to 200 bar, with the present invention also for injection pressures between 50 bar and 100 bar also suitable. This leads to a fine atomization of the fuel droplets and thus to a rapid evaporation of the fuel. In addition, by such a high-pressure system, in particular in full load operation, a multiple injection per cycle allows, in which the total amount of fuel within the valve opening phase clocked through the gap can be injected into the combustion chamber.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the abovementioned and those still to be explained below Characteristics can be used not only in the specified combination, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematischShow, each schematically

1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer ersten Anordnung einer Einspritzdüse in einem Einspritzkanal, 1 an internal combustion engine according to the invention with a first arrangement of an injection nozzle in an injection channel,

2 die Brennkraftmaschine gemäß der 1 in einer Ansicht von oben, 2 the internal combustion engine according to the 1 in a view from above,

3 eine Einspritzsituation mit einer seitlich versetzten Einspritzdüse und der Einspritzung auf lediglich ein Einspritzventil, 3 an injection situation with a laterally offset injection nozzle and the injection to only one injection valve,

4 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anders ausgeführten Einspritzdüse, 4 a representation like in 1 but with a different injection nozzle,

5 eine Ansicht von oben auf die Brennkraftmaschine gemäß der 4. 5 a top view of the internal combustion engine according to the 4 ,

Entsprechend den 1–5, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 zumindest einen Zylinder 2 mit wenigstens einem Einlassventil 3, hier zwei Einlassventilen 3 und 3' auf. Daneben sind selbstverständlich noch jeweils zumindest ein Auslassventil 4, hier zwei Auslassventile 4 und 4' je Zylinder 2 vorgesehen. Das Einlassventil 3 sitzt dabei in einem Übergangsbereich zwischen einem Einlasskanal 5 und einem Brennraum 6, wobei im Bereich des Einlasskanals 5 eine Einsprtzdüse 7 angeordnet ist. Betrachtet man die 1, so kann man erkennen, dass die Einspritzdüse 7 unterhalb des Einlasskanals 5 angeordnet und von unten in diesen eingeführt ist, wobei die Einspritzdüse 7 derart ausgerichtet ist, dass eine Kraftstoffeinspritzung, das heißt ein Kraftstoffstrahl 8 auf einen zwischen einem Ventilteller 10 und einem Ventilsitz 11 bei geöffnetem Einlassventil 3 klaffenden Ventilspalt 12 gerichtet ist. Die Einspritzdüse 7 spritzt somit den Kraftstoffstrahl 8 weder auf den Ventilteller 10 noch auf eine Wandung des Einlasskanals 5, sondern direkt in den Brennraum 6. So wird gewährleistet, dass die notwendige Wärme zur Kraftstoffverdampfung der Frischluft und nicht den Bauteilwänden, beispielsweise den Wänden des Einlasskanals 5 oder des Brennraums 6 entnommen wird. Insbesondere im Volllastbetrieb hat dies eine gesteigerte Dichte und eine geringere Klopfempfindlichkeit einer Zylinderfüllung zur Folge.According to the 1 - 5 , Has an internal combustion engine according to the invention 1 at least one cylinder 2 with at least one inlet valve 3 , here two intake valves 3 and 3 ' on. In addition, of course, in each case at least one outlet valve 4 , here two exhaust valves 4 and 4 ' per cylinder 2 intended. The inlet valve 3 sits in a transitional area between an inlet channel 5 and a combustion chamber 6 , being in the region of the inlet channel 5 an injection nozzle 7 is arranged. Looking at the 1 , so you can tell that the injector 7 below the inlet channel 5 arranged and inserted from below into this, the injection nozzle 7 is oriented such that a fuel injection, that is, a fuel jet 8th on one between a valve disk 10 and a valve seat 11 with the inlet valve open 3 gaping valve gap 12 is directed. The injector 7 thus injects the fuel jet 8th neither on the valve plate 10 still on a wall of the inlet channel 5 but directly into the combustion chamber 6 , This ensures that the necessary heat for fuel evaporation of the fresh air and not the component walls, such as the walls of the inlet channel 5 or the combustion chamber 6 is removed. In particular, in full load operation, this has an increased density and a lower knock sensitivity of a cylinder filling result.

Im Teillastbetrieb hingegen würde man entsprechend eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf die geschlossenen und damit heißen Einlassventile 3, 3' spritzen und dadurch eine lange Vorlagerungszeit sowie eine Gemischverdampfung bereits innerhalb des Einlasskanals 5 erzielen. Die dadurch erreichbare gute Homogenisierung einer Saugsystemeinspritzung bietet deutliche Vorteile bei einer Ruß- und Partikelemission.In partial load operation, on the other hand, according to a method according to the invention, the closed and therefore hot inlet valves would be used 3 . 3 ' inject and thus a long storage time and a mixture evaporation already within the inlet channel 5 achieve. The resulting good homogenization of a Saugsystemseinspritzung offers significant advantages in soot and particulate emissions.

Gemäß der 2 ist eine mittig des Einlasskanals 5 angeordnete Einspritzdüse 7 gezeigt, deren Kraftstoffstrahl 8 auf beide Einlassventile 3 und 3' bzw. auf die dort bei geöffneten Einlassventilen 3, 3' auftretenden Ventilspalte 12, 12' gerichtet ist. Die Einspritzdüse 7 kann hierbei Mehrlochdüsen aufweisen, die insbesondere einen hohen Freiheitsgrad bei der Ausbildung mehrerer einzelner Kraftstoffstrahlen 8 ermöglicht. Selbstverständlich kann die Einspritzdüse 7 nicht wie in den 1–5 gezeigt unterhalb des Einlasskanals 5 angeordnet werden, sondern prinzipiell auch oberhalb desselben.According to the 2 is a center of the inlet channel 5 arranged injection nozzle 7 shown, whose fuel jet 8th on both inlet valves 3 and 3 ' or on the there with open intake valves 3 . 3 ' occurring valve gaps 12 . 12 ' is directed. The injector 7 may in this case have multi-hole nozzles, in particular a high degree of freedom in the formation of a plurality of individual fuel jets 8th allows. Of course, the injector 7 not like in the 1 - 5 shown below the inlet channel 5 be arranged, but in principle also above it.

Gemäß der 3 ist eine seitlich versetzte Einspritzdüse 7 gezeigt, die lediglich eines der beiden Einlassventile 3, 3' mit einem entsprechenden Kraftstoffstrahl 8 bespritzt.According to the 3 is a laterally offset injector 7 shown only one of the two intake valves 3 . 3 ' with a corresponding fuel jet 8th splashing.

Die 4 zeigt eine Einspritzdüse 7 mit einem anderen Düsenkopf, der jedoch eine Auffächerung des Kraftstoffstrahls 8 ähnlich der 2 erlaubt.The 4 shows an injection nozzle 7 with a different nozzle head, but a fanning of the fuel jet 8th similar to the 2 allowed.

Um insbesondere eine Ruß- und Partikelemission der Brennkraftmaschine beim Betrieb derselben reduzieren zu können, ebenso wie eine Klopfempfindlichkeit, kann die Brennkraftmaschine 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, bei welchem die Einspritzdüse 7 zumindest in einem Teillastbetrieb Kraftstoff bei geschlossenem Einlassventil 3, 3' einspritzt, so dass dieser nicht direkt in den Brennraum 6 gelangt, sondern zunächst an heiße Komponenten des Einlasskanals 5 bzw. des Einlassventils 3 und bereits dort verdampft. Das Verdampfen des Kraftstoffs innerhalb des Einlasskanals 5 bewirkt eine gute Homogenisierung und verbunden damit eine bessere Verbrennung, wodurch die Partikel- und Rußemissionen gesenkt werden können.In order to be able to reduce in particular a soot and particle emission of the internal combustion engine during operation of the same, as well as a knock sensitivity, the internal combustion engine 1 operated by the method according to the invention, in which the injection nozzle 7 at least in a partial load mode fuel with the intake valve closed 3 . 3 ' injected so that this is not directly into the combustion chamber 6 but first to hot components of the inlet channel 5 or the inlet valve 3 and already evaporated there. The vaporization of the fuel within the intake passage 5 causes a good homogenization and thus a better combustion, whereby the particle and soot emissions can be lowered.

Im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 kann dabei der Kraftstoff durch den beschriebenen Ventilspalt 12, 12' des geöffneten Einlassventils 3, 3' direkt in den Brennraum 6 eingespritzt werden, wodurch eine gesteigerte Dichte sowie eine geringere Klopfempfindlichkeit erreicht werden können. Der Einspritzvorgang kann dabei bei geschlossenem Einspritzventil 3, 3' beginnen und sich in eine Phase mit geöffnetem Einspritzventil 3, 3' hineinerstrecken, wobei auch denkbar ist, dass der Einspritzvorgang bei geöffnetem Einspritzventil 3, 3' beginnt und sich in eine Phase mit geschlossenem Einspritzventil 3, 3' hineinerstreckt. Ebenfalls denkbar ist, dass die Einspritzdüse 7 pro Arbeitstakt mehrere Einspritzimpulse erzeugt, die beispielsweise regelmäßig oder unregelmäßig sind. Die Einspritzimpulse können dabei sowohl während der Phase geschlossener Einlassventile 3, 3' als auch bei geöffneten Einlassventilen 3, 3' erzeugt werden.In full load operation of the internal combustion engine 1 can the fuel through the valve gap described 12 . 12 ' of the opened inlet valve 3 . 3 ' directly into the combustion chamber 6 be injected, whereby an increased density and a lower knock sensitivity can be achieved. The injection process can be closed injector 3 . 3 ' start and get into a phase with the injector open 3 . 3 ' hineinerstrecken, which is also conceivable that the injection process with an open injection valve 3 . 3 ' starts and enters a phase with a closed injection valve 3 . 3 ' hineinerstreckt. It is also conceivable that the injection nozzle 7 generates several injection pulses per working cycle, which are, for example, regular or irregular. The injection pulses can both during the phase of closed intake valves 3 . 3 ' as well as with open intake valves 3 . 3 ' be generated.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der danach betriebenen Brennkraftmaschine 1 können insbesondere die Klopfempfindlichkeit sowie die Partikel- und Rußemissionen reduziert werden, was im Hinblick auf stetig steigende Umweltauflagen von besonderem Vorteil ist.With the method according to the invention and the internal combustion engine operated thereafter 1 In particular, the sensitivity to knocking as well as the particle and soot emissions can be reduced, which is particularly advantageous in view of ever-increasing environmental requirements.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2002/0129794 A1 [0002]
DE 3713628 A1 [0003]

Claims

Method for operating an internal combustion engine ( 1 ) with at least one in the region of an inlet channel ( 5 ) and in front of an inlet valve ( 3 . 3 ' ) arranged injection nozzle ( 7 ), wherein the injection nozzle ( 7 ) at least in a partial load operation of the internal combustion engine ( 1 ) Fuel with closed inlet valve ( 3 . 3 ' ), so that this at least partially already in the inlet channel ( 5 ) evaporates, and in a full load operation of the internal combustion engine ( 1 ) Fuel through a valve gap ( 12 . 12 ' ) of the opened inlet valve ( 3 . 3 ' ) directly into a combustion chamber ( 6 ) injects.

A method according to claim 1, characterized in that an injection process with a closed injection valve ( 3 . 3 ' ) starts and enters a phase with an open injection valve ( 3 . 3 ' ) extends into it.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that an injection process with an open injection valve ( 3 . 3 ' ) begins and enters a phase with a closed injection valve ( 3 . 3 ' ) extends into it.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the injection nozzle ( 7 ) generates several injection pulses per working cycle.

Method according to claim 4, characterized in that the injection nozzle ( 7 ) generates regular or irregular injection pulses.

Method according to claim 4 or 5, characterized in that the injection nozzle ( 7 ) Injection pulses during the phase of closed and / or opened intake valves ( 3 . 3 ' ) generated.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fuel from the injection nozzle ( 7 ) is injected at a high pressure which is in a range between 100 and 250 bar, preferably between 120 and 200 bar.

An internal combustion engine operating according to the method of any one of claims 1 to 7 ( 1 ) with at least one cylinder ( 2 ), an associated inlet valve ( 3 . 3 ' ) and an associated inlet channel ( 5 ), in which at least one injection nozzle ( 7 ), which is connected to a high-pressure fuel pump.

Internal combustion engine according to claim 8, characterized in that the cylinder ( 2 ) two inlet valves ( 3 . 3 ' ), wherein a fuel injection ( 8th ) alternatively to only one inlet valve ( 3 ) or on both inlet valves ( 3 . 3 ' ) he follows.

Internal combustion engine according to claim 8 or 9, characterized in that the injection nozzle ( 7 ) below the inlet channel ( 5 ) is arranged and inserted from below into this, wherein the injection nozzle ( 7 ) is oriented such that the fuel injection ( 8th ) a valve stem ( 9 ) and a valve disc ( 10 ) of the inlet valve ( 3 . 3 ' ) does not apply.