DE102010048823A1

DE102010048823A1 - Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010048823A1
Application number: DE102010048823A
Authority: DE
Inventors: Prof.Dr.-Ing. Flierl Rudolf
Original assignee: Entec Consulting GmbH
Current assignee: Entec Consulting GmbH
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einer Ansaugvorrichtung, wobei im Zylinderkopf eine Anzahl Brennräume vorgesehen ist, und wobei im Zylinderkopf Durchtrittsbohranordnungen angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass Einspritzventile aufnehmbar sind, die jeweils in einen Brennraum hineinreichen, und wobei zusätzlich in der Ansaugvorrichtung Durchtrittsbohranordnungen für Einspritzventile vorgesehen sind, derart, dass Flüssigkraftstoff und/oder gasförmiger Kraftstoff mit der Ansaufluft in den Brennraum einführbar ist/sind, wobei die im Zylinderkopf angeordneten Einspritzventile gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einführen. Desweiteren wird ein Verfahren beansprucht, bei dem in einem ersten Schritt die Einspritzventile für Flüssigkraftstoff entfernt werden und in einem zweiten Schritt in die bestehenden Durchtrittsbohranordnungen Einspritzventile für gasförmigen Kraftstoff eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einer Ansaugvorrichtung, wobei im Zylinderkopf eine Anzahl Brennräume vorgesehen ist, und wobei im Zylinderkopf Durchtrittsbohranordnungen angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass Einspritzventile aufnehmbar sind, die jeweils in einen Brennraum hineinreichen, und wobei zusätzlich in der Ansaugvorrichtung Durchtrittsbohranordnungen für Einspritzventile vorgesehen sind, derart, dass Flüssigkraftstoff und/oder gasförmiger Kraftstoff mit der Ansaugluft in den Brennraum einführbar ist/sind. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachrüsten einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einer Ansaugvorrichtung, wobei im Zylinderkopf eine Anzahl Brennräume vorgesehen sind, und wobei im Zylinderkopf Durchtrittsbohranordnungen mit darin angeordneten Einspritzventilen für Flüssigkraftstoff vorgesehen sind.
Eine derartige Kraftstoffeinspritzanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2006 049 242 A1 bekannt. Hierbei ist ein Gas-Einblasungssystem zur Einblasung des gasförmigen Kraftstoffes in einen Luftansaugpfad stromauf des Brennraumes vorgesehen. Zusätzlich ist ein Direkteinspritzsystem vorgesehen, das Flüssigkraftstoff direkt in den Brennraum einspritzt. Mit einer derartigen Kraftstoffeinspritzanlage können beide Kraftstoffarten wahlweise bzw. wechselweise betrieben werden. Dabei dient die Flüssigkraftstoffeinspritzung insbesondere als Reserve, wenn der gasförmige Kraftstoff zur Neige geht bzw. verbraucht ist. Insbesondere können mit einer derartigen Zumischung von diesen zwei Kraftstoffarten die Vorteile der einzelnen Kraftstoffe last- und drehzahlabhängig genutzt werden, um Emissionen, Kraftstoffverbrauch, CO₂-Emission, Drehmoment und Leistung zu optimieren.
Die beschriebene Kraftstoffeinspritzanlage ist jedoch aufwändig und damit auch teuer in der Herstellung. Außerdem neigt eine derartige Kraftstoffeinspritzanlage zu einer klopfenden Verbrennung im Vorlastbereich.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und damit insbesondere eine Kraftstoffeinspritzanlage bereitzustellen, die günstig in der Herstellung ist, darüber hinaus die Möglichkeit bietet, bestehende Motoren mit einer Einspritzung von gasförmigem Kraftstoff nachzurüsten und dabei eine homogene Verbrennung zu gewährleisten. Desweiteren soll ein Verfahren entwickelt werden, mit dem bestehende Motoren einfach und kostengünstig umzurüsten sind.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die im Zylinderkopf angeordneten Einspritzventile gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum führen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Flüssigkraftstoff führenden Einspritzventilen und gasförmigen Kraftstoff führenden Einspritzventilen ist eine homogene Verbrennung und damit klopfarme Verbrennung im Vollastbereich gewährleistet. Darüber hinaus können die Hochdruckflüssigkraftstoffpumpe und das zugehörige Railsystem entfallen, da die Einspritzung des Flüssigkraftstoffes den Überdruck aus dem Vorratsbehälter des gasförmigen Kraftstoffes nutzt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform entsprechen die Durchtrittsbohranordnungen des Zylinderkopfes den Durchtrittsbohranordnungen in der Ansaugvorrichtung. Auf diese Weise wird ein besonders bauraumoptimiertes und kostengünstig herzustellendes Motorpackage geschaffen, da alle Einspritzventile im Wesentlichen gleich und kompakt ausgeführt werden können. Derartige Durchtrittsbohranordnungen für Benzinansaugdüsen sind hinlänglich bekannt, wobei derartige Benzinansaugdüsen millionenfach verbaut werden. Wenn nun diese, in die Ansaugvorrichtung eingebrachten Durchtrittsbohranordnungen, denen im Zylinderkopf entsprechen, bietet das erhebliche Vorteile in der Applikation und bei den Kosten. Damit wird ein bauraum- und kostengünstiges Motorpackage geschaffen, da beispielsweise DI-Gaseinspritzdüsen im Wesentlichen genauso kompakt auszuführen sind, wie DI-Benzineinspritzdüsen. Aufgrund der geringen Abweichung bei der Herstellung der DI-Gaseinspritzdüsen in Bezug auf die DI-Benzineinspritzdüsen, sind die Gaseinspritzdüsen an sich kostengünstig herstellbar. Desweiteren ist es möglich, bestehende Motoren und deren Einspritzventile mit einer Einspritzung von gasförmigem Kraftstoff auf besonders einfache und kostengünstige Weise nachzurüsten.
Dadurch, dass in einem Kolben der Brennkraftmaschine eine Brennraummulde vorgesehen ist, die vorzugsweise mit gasförmigem Kraftstoff befüllbar ist, kann der Gasgehalt in bestimmten Bereichen des Brennraumes erhöht werden, wodurch die Klopfneigung im Vollastbereich wesentlich verringert wird. Desweiteren können die Einspritzventile derart zueinander angeordnet sein, dass im Brennraum eine Schichtung der unterschiedlichen Kraftstoffe vorliegt. Auch durch diese Maßnahme kann die Klopfneigung der Verbrennung wesentlich verringert werden. In diesem Zusammenhang kann es desweiteren vorteilhaft sein, wenn die Einspritzventile für den gasförmigen Kraftstoff derart ausgebildet sind, dass im Brennraum eine Schichtung der unterschiedlichen Kraftstoffe vorliegt. Dies bezieht sich insbesondere auf den Abströmwinkel, die Abströmrichtung des gasförmigen Kraftstoffes beim Austritt aus dem Einspritzventil sowie die Düsenausbildung des Einspritzventils.
Bei einem Verfahren zum Nachrüsten einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine werden in einem ersten Schritt die Einspritzventile für Flüssigkraftstoff entfernt und in einem zweiten Schritt in die bestehenden Durchtrittsbohranordnungen Einspritzventile für gasförmigen Kraftstoff eingesetzt. Durch diese besondere Vorgehensweise können bestehende Motoren besonders einfach und kostengünstig nachgerüstet werden. Bei einem besonders vorteilhaften Verfahren werden in einem weiteren Schritt Durchtrittsbohranordnungen in der Ansaugvorrichtung eingebracht und nachfolgend in diese Durchtrittsbohranordnungen Einspritzventile für Flüssigkraftstoff eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt schematisch einen Ausschnitt einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine 1. Diese umfasst im Wesentlichen einen Zylinderkopf 2 und eine damit verbundene Ansaugvorrichtung 4. Der Zylinderkopf 2 weist eine Anzahl Brennräume 6 auf, von denen in der Zeichnung einer dargestellt ist. In den Brennraum 6 reicht eine Zündkerze 8, die ein Kraftstoffluftgemisch auf bekannte Weise zünden kann und damit einen Kolben 10 in Bewegung setzt. Zur Einspritzung von gasförmigem Kraftstoff ist ein Einspritzventil 12 vorgesehen, das in einer Durchtrittsbohranordnung 14 befestigt ist.
Üblicherweise ist bei einer Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum die Einspritzdüse seitlich am Zylinderkopf 2, wie in der Zeichnung dargestellt, angeordnet oder es wurde eine zentrale Lage, die im Wesentlichen in Richtung der Zylinderachse steht, also parallel oder fast parallel, gewählt. Die Einspritzdüse wird dann von oben mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzdüsen sind vorteilhaft in Ihrem Außendurchmesser im vorderen Bereich zum Eintritt in den Brennraum hin und im mittleren Bereich möglichst kompakt zu gestalten, damit die restlichen Bauteile im Zylinderkopf, wie zum Beispiel Ventile, möglichst groß verbaut werden können. Durch derartige Zylinderkopfkonzepte zeichnen sich Serienmotoren aus.
Eine bezüglich den Abmessungen der Durchtrittsbohranordnung entsprechende Durchtrittsbohranordnung 16 ist nun im Ansaugrohr 4 für ein Flüssigkraftstoff-Einspritzventil 18 vorgesehen. Der Kolben 10 weist eine asymmetrisch ausgebildete Brennraummulde 20 auf, die einen schichtartigen Aufbau von zugeführtem Flüssigkraftstoff 22 und eingespritztem gasförmigem Kraftstoff 24 unterstützt. Hierdurch kann unter anderem ein klopffreier Verbrennungsprozess gewährleistet werden.
Durch die Einspritzung des gasförmigen Kraftstoffes 24 in den Brennraum 6 wird der hier vorliegende niedrige Druck ausgenutzt. Die Einspritzung beginnt etwa 40° (Kurbelwinkel) nach dem Schließen eines Auslassventiles 26 und ist kurz nach dem Schließen eines Einlassventiles 28 abgeschlossen. Hierdurch wird sichergestellt, dass kein Gasschlupf, unverbranntes Gas dringt nach Aussen, stattfindet. Der Einspritzdruck liegt bei ca. 8 bar. Eine Erhöhung auf ca. 10 bar würde im Teillastbereich keine signifikanten Vorteile bringen, vielmehr wird der geringere Druck genutzt, um eine möglichst große Entfernungsreichweite mit einer Gastankfüllung zu erreichen. Um diese Entfernungsreichweite noch weiter zu erhöhen, und auch bei Volllast sowie bei Lastbereichen, die ebenfalls mit hoher Drehzahl betrieben werden, eine optimale Verbrennung zu gewährleisten, wird über das Ventil 18 Flüssigkraftstoff, in diesem Fall Benzin, in der Ansaugvorrichtung 4 dem Luftstrom und damit dem Verbrennungsprozess hinzugefügt. Dadurch, dass die Durchtrittsbohranordnungen 14 und 16 einander entsprechen, ist es möglich, einen bestehenden Motor ohne wesentliche Änderungen, mit einem Einspritzsystem für einen gasförmigen Kraftstoff nachzurüsten. Dies alles kann mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage bei hoch entwickelten, downgesizten Turbomotoren, die über wenig Bauraum verfügen, umgesetzt werden.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Einspritzventile 12 und 18, das heißt das Einspritzventil 12 für gasförmigen Kraftstoff reicht in den Brennraum 6 und das Einspritzventil 18 für Flüssigkraftstoff reicht in den Ansauglufttrakt, wird eine Schichtung der unterschiedlichen Kraftstoffarten erreicht, die wesentliche Vorteile bietet.
So wird in Kombination mit einer Brennraummulde die Klopfneigung der Verbrennungsprozesse wesentlich reduziert. Auch wird der Verbrennungsprozess an sich optimiert, wodurch Emissionen und Kraftstoffverbrauch reduziert werden können. Durch eine besondere Ausgestaltung des Einspritzventils hinsichtlich Abströmwinkel und Abströmform kann dieser Effekt noch verstärkt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich auch besonders einfach und kostengünstig bestehende Motoren auf einen zumindest teilweisen Gasbetrieb umstellen.
Hierzu werden in einem ersten Schritt die bestehenden Einspritzventile 18 für Flüssigkraftstoff entfernt und in einem zweiten Schritt in die bestehenden Durchtrittsbohranordnungen 14 des Zylinderkopfes 2 Einspritzventile 12 für gasförmigen Kraftstoff eingesetzt. In einem weiteren Schritt werden Durchtrittsbohranordnungen 16 in der Ansaugvorrichtung 4 eingebracht und nachfolgend in diese Durchtrittsbohranordnungen 16 die Einspritzventile 18 für Flüssigkraftstoff eingesetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006049242 A1 [0002]

Claims

Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Zylinderkopf (2) und einer Ansaugvorrichtung (4), wobei im Zylinderkopf (4) eine Anzahl Brennräume (6) vorgesehen ist, und wobei im Zylinderkopf (2) Durchtrittsbohranordnungen (14) angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass Einspritzventile (12; 18) aufnehmbar sind, die jeweils in einen Brennraum (6) hineinreichen, und wobei zusätzlich in der Ansaugvorrichtung (4) Durchtrittsbohranordnungen (16) für Einspritzventile (12; 18) vorgesehen sind, derart, dass Flüssigkraftstoff (22) und/oder gasförmiger Kraftstoff (24) mit der Ansaugluft in den Brennraum (6) einführbar ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zylinderkopf (2) angeordneten Einspritzventile (12) gasförmigen Kraftstoff (24) in den Brennraum (24) einführen.
Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsbohranordnungen (14) des Zylinderkopfes (2) den Durchtrittsbohranordnungen (16) in der Ansaugvorrichtung (4) entsprechen.
Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennraummulde (20) in einem Kolben (10) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist, die vorzugsweise mit gasförmigem Kraftstoff (24) befüllbar ist.
Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzventile (12; 18) derart angeordnet sind, dass im Brennraum (6) eine Schichtung der unterschiedlichen Kraftstoffe (22, 24) vorliegt.
Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzventile (12; 18) derart ausgebildet sind, dass im Brennraum (6) eine Schichtung der unterschiedlichen Kraftstoffe (22, 24) vorliegt.
Verfahren zum Nachrüsten einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Zylinderkopf (2) und einer Ansaugvorrichtung (4), wobei im Zylinderkopf (2) eine Anzahl Brennräume (6) vorgesehen ist, und wobei im Zylinderkopf (2) Durchtrittsbohranordnungen (14) mit darin angeordneten Einspritzventilen (18) für Flüssigkraftstoff vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die Einspritzventile (18) für Flüssigkraftstoff entfernt werden und in einem zweiten Schritt in die bestehenden Durchtrittsbohranordnungen (14) Einspritzventile (12) für gasförmigen Kraftstoff (24) eingesetzt werden.
Verfahren zum Nachrüsten einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt Durchtrittsbohranordnungen (16) in der Ansaugvorrichtung (4) eingebracht werden und nachfolgend in diese Durchtrittsbohranordnungen (16) Einspritzventile (18) für Flüssigkraftstoff (22) eingesetzt werden.