DE102010064175A1 - Einspritzsystem, Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines Einspritzsystems - Google Patents

Einspritzsystem, Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines Einspritzsystems Download PDF

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Abstract

Es wird eine Einspritzsystem für eine wenigstens einen Brennraum aufweisende Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei eine Wandung des Brennraums eine von einem ersten Einlassventil verschließbare erste Einlassöffnung und eine von einem zweiten Einlassventil verschließbare zweite Einlassöffnung aufweist, wobei das Einspritzsystem ein erstes Einspritzventil zur dosierten Einspritzung von Kraftstoff in den Bereich der ersten Einlassöffnung und ein zweites Einspritzventil zur dosierten Einspritzung von Kraftstoff in den Bereich der zweiten Einlassöffnung umfasst, wobei das Einspritzsystem eine Katalysatoreinrichtung und eine Aufheizvorrichtung zur schnellen Aufheizung der Katalysatoreinrichtung aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, ein Speichermedium und eine Steuereinrichtung.
  • Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung mit zwei Einspritzventilen pro Zylinder sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2008 044 244 A1 eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum bekannt, wobei der Brennraum zwei Kraftstoff-Einlassöffnungen aufweist, welche jeweils durch ein Einlassventil verschließbar sind. Die Brennkraftmaschine weist ferner eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung auf, die in Zuordnung zu dem wenigstens einen Brennraum ein erstes und ein separates zweites Einspritzventil zum dosierten Einspritzen von Kraftstoff in mindestens einen Ansaugkanal des Brennraums aufweist. Die Einspritzventile spritzen den Kraftstoff dabei zerstäubt in Form von Spraykegeln in Richtung der Einlassventile.
  • Zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, Katalysatoreinrichtungen einzusetzen. Solche Katalysatoreinrichtungen arbeiten dann effizient im Sinne einer Reduzierung von Abgasemissionen, wenn sie eine Betriebstemperatur von mehreren hundert Grad Celsius aufweisen. Insbesondere in der Startphase bzw. Kaltstartphase der Brennkraftmaschine ist es daher erforderlich, in möglichst kurzer Zeit eine Aufheizung der Katalysatoreinrichtung auf Betriebstemperatur zu erreichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Einspritzsystem, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Einspritzsystems gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Brennkraftmaschine in einfacher Weise dahingehend besser gesteuert werden kann, als es möglich ist, schneller die Katalysatoreinrichtung auf Betriebstemperatur zu bringen. Durch die Benutzung einer Aufheizvorrichtung zur schnelleren Aufheizung der Katalysatoreinrichtung in Verbindung mit der Verwendung eines ersten Einspritzventils und eines zweiten Einspritzventils pro Brennraum ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft möglich, die Zeit zum Aufheizen der Katalysatoreinrichtung zu verringern und dadurch die Wirksamkeit der Katalysatoreinrichtung zu erhöhen. Hierdurch können die Abgasemission, insbesondere in der Startphase bzw. in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine teilweise erheblich reduziert werden.
  • Erfindungsgemäß ist es durch die Benutzung der Aufheizvorrichtung in Verbindung mit der Verwendung eines ersten und zweiten Einspritzventils pro Brennraum besonders vorteilhaft möglich, die Zeit zum Aufheizen der Katalysatoreinrichtung zu verringern, indem mittels des ersten und zweiten Einspritzventils eine vergleichsweise große Kraftstoffmenge (im Verhältnis zur angesaugten Luftmenge) in das Ansaugrohr eingespritzt wird (leicht fettes bis sehr fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch, was dazu führt, dass in den Verbrennungs-Abgasen noch Teile von unverbranntem Kraftstoff vorhanden sind, durch deren Verbrennung eine schnelle Temperaturerhöhung der Katalysatoreinrichtung möglich ist), indem ferner ein im Vergleich zu einem Dauerbetriebsmodus der Brennkraftmaschine im Sinne eines späteren Zündzeitpunkts verschobener Zündzeitpunkt realisiert wird und indem darüber hinaus zusätzlich die Aufheizvorrichtung aktiviert wird. Durch die Verwendung des ersten Einspritzventils und des zweiten Einspritzventils kann die Kraftstoffdosierung genauer und genauer reproduzierbar erfolgen und damit insgesamt bedarfsgerechter sein – insbesondere mit Blick auf die Startphase bzw. Kaltstartphase der Brennkraftmaschine. Hierdurch ist es erfindungsgemäß in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass die Tröpfchengröße des Kraftstoffsprays reduziert werden kann und auf diese Weise Mängel im Verbrennungsverlauf vermieden werden können, so dass ein späterer Zündzeitpunkt überhaupt möglich ist. Hierdurch ist eine schnellere Aufheizung der Katalysatoreinrichtung möglich, so dass die Start- und Warmlaufphase möglichst optimal zeitlich verkürzt wird und die Katalysatoreinrichtung möglichst schnell möglichst vollständig konvertiert. Die bessere Durchbrennung des Kraftstoffgemischs im Brennraum führt ferner zu einer erhöhten Temperatur im Brennraum und somit auch zu heißeren Rohabgasen. Hierdurch wird in der Start- und Warmlaufphase der Katalysator schneller aufgewärmt (entsprechend wird der sog. ”catalysator light-off” Punkt (d. h. der Temperatur-Punkt, an dem die Wirksamkeit des Katalysators sprunghaft ansteigt) und das Taupunktende für die Lambda-Sonde schneller erreicht) und erreicht schneller die Anspringtemperatur, ab welcher der Katalysator effizient arbeitet. Hierdurch sind Abgasreduktionen erreichbar, die eine Mehrzahl von Maßnahmen erfordern und durch Einzelmaßnahmen allein nicht erreichbar sind. Die Durchbrennung wird ferner durch die Verwendung von zwei separaten Einspritzventilen begünstigt, da jedes Einspritzventil nur eine verminderte Durchflussmenge von Kraftstoff einzuspritzen braucht, wodurch eine geringere Spraydichte erzielt wird, d. h. dass sich die charakteristische Tröpfchengröße, insbesondere der Sauter-Durchmesser, des zerstäubten Kraftstoffs vorteilhafterweise verringert. Durch die Möglichkeit einer feineren und genaueren. Dosierbarkeit des Kraftstoffes wird das Brennverhalten im Brennraum insgesamt erheblich verbessert und es fallen weniger Rohabgase an. Vorteilhafterweise kann aufgrund der Rohabgasreduktion der Katalysator kleiner dimensioniert und ein Teil der für den Katalysator benötigten Edelmetalle eingespart werden. Die verbesserte Durchbrennung und die hierdurch erzielte höhere Laufruhe ermöglicht darüber hinaus eine geringere Leerlaufdrehzahl, welche wiederum die Abgasemissionen reduziert. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise einen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Automobil. Hierbei kann es sich bei dem verwendeten Kraftstoff um Benzin oder auch um Ethanol oder um ein Gemisch handeln. Die Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise mehr als einen Zylinder, wobei jeder der Zylinder einen Brennraum mit zwei Einlassventilen umfasst, wobei jedem Einlassventil bevorzugt jeweils ein separates Einspritzventil zugeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß ist es durch die Verwendung des ersten und zweiten Einspritzventils in vorteilhafter Weise möglich, dass über einen großen Bereich (verschiedener Einspritzmengen an Kraftstoff) hinweg mit großer Genauigkeit die gewünschte Einspritzmenge an Kraftstoff eingespritzt werden kann. Beispielsweise könnte das erste Einspritzventil hinsichtlich der Auslegungsmenge an (unter vorgegebenen Betriebsbedingungen) maximal einspritzbarem Kraftstoff (sog. Menge Qstat) doppelt so groß ausgelegt werden wie das zweite Einspritzventil; in diesem Fall ist es beispielsweise möglich, für den Fall von vergleichsweise kleinen einzuspritzenden Kraftstoffmengen lediglich das zweite Einspritzventil zu verwenden (d. h. das erste Einspritzventil abzuschalten bzw. nicht anzusteuern) und wegen der kleineren Auslegungsmenge genau dosieren zu können, für den Fall von mittelgroßen einzuspritzenden Kraftstoffmengen lediglich das erste Einspritzventil zu verwenden (d. h. das zweite Einspritzventil abzuschalten bzw. nicht anzusteuern) und wegen der Auslegungsmenge des ersten Einspritzventils genau und in einem nicht allzu großen Zeitfenster dosieren zu können, und für den Fall von vergleichsweise großen einzuspritzenden Kraftstoffmengen (zum Beispiel im Volllastfall) sowohl das erste als auch das zweite Einspritzventil zu verwenden. Alternativ zu einer Aufteilung der Gesamteinspritzmenge des Kraftstoffs mittels zweier ungleich dimensionierter Einspritzventile ist es auch möglich, gleich dimensionierte (d. h. zwei gleiche) Einspritzventile zu verwenden. Hierdurch wird die Auslegungsmenge für jedes der Einspritzventile halbiert. Unabhängig von der Art der Aufteilung der Gesamteinspritzmenge auf zwei Einspritzventile ist es erfindungsgemäß möglich, die charakteristische Größe SMD (SauterMeanDiameter) des typischen Tröpfchendurchmessers wegen der verringerter Spraydichte von kleineren (bzw. eine kleine Auslegungsmenge Qstat aufweisenden) Einspritzventilen zu verringern, so dass eine gleichmäßigere Gemischbildung und ein späterer Zündzeitpunkt möglich ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Besonders bevorzugt ist es erfindungsgemäß, wenn die Aufheizvorrichtung eine Sekundärluftpumpe umfasst. Insbesondere ist es hierbei bevorzugt, dass die Sekundärluftpumpe konfiguriert ist, Luft in die Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine zu fördern. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass auf bewährte Prinzipien bei der Zurverfügungstellung von zusätzlicher Verbrennungsluft zur schnellen Erhöhung der Temperatur der Katalysatoreinrichtung zurückgegriffen werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Einspritzventil in einem ersten Ansaugkanal angeordnet ist, welches durch die erste Ansaugöffnung in den Brennraum mündet, und dass das zweite Einspritzventil” in einem zweiten Ansaugkanal angeordnet ist, welches durch die zweite Ansaugöffnung in den Brennraum mündet. In vorteilhafter Weise lässt sich somit der Spraykegel jedes Einspritzventils in einfacher Weise auf den jeweilige Ansaugkanal, sowie die jeweilige Einlassöffnung anpassen, so dass einerseits eine Benetzung der Außenwandungen der Ansaugkanäle, als auch eine Benetzung einer Trennwand zwischen der ersten und zweiten Einlassöffnung wirksam unterbunden wird. Die Wandfilmstärke und die Inhomogenität der Gemischverteilung wird hierdurch reduziert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Einspritzventil jeweils nur eine einzige Einspritzöffnung aufweisen. Das erste und das zweite Einspritzventil umfassen somit vorzugsweise jeweils eine Einspritzdüse mit einer Einstrahl-Charakteristik. Gegenüber der Verwendung eines einzigen Einspritzventils mit zwei Einspritzöffnungen (Zweistrahl-Charakteristik) hat dies den Vorteil, dass das Kraftstoffspray optimaler an die geometrie der Ansaugkanäle angepasst werden kann.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Situation eines Startbetriebsmodus eine Verschiebung des Zündzeitpunkts dahingehend erfolgt, dass ein gegenüber einem Dauerbetriebsmodus späterer Zündzeitpunkt des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum verwendet wird. Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in der Situation des Startbetriebsmodus eine gegenüber einer vergleichbaren Betriebssituation des Dauerbetriebsmodus größere Kraftstoffmenge eingespritzt wird und die Aufheizvorrichtung aktiviert wird. Hierdurch wird erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise eine schnellere Aufheizzeit der Katalysatoreinrichtung erreicht.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass die Verschiebung des Zündzeitpunkts bei einer Temperatur der Katalysatoreinrichtung unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur erfolgt. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine besonders schnelle Aufheizung der Katalysatoreinrichtung realisierbar ist und bei Vorhandensein der erforderlichen Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtung eine zusätzliche Aufheizung vermieden werden kann, wodurch durch die Vermeidung einer (für die Aufheizung der Katalysatoreinrichtung vorgesehenen) zusätzlich einzuspritzenden Kraftstoffmenge und durch die Vermeidung der Aktivierung der Aufheizvorrichtung ebenfalls Kraftstoff und Energie eingespart werden können.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen
  • 1 eine schematische Aufsichtsdarstellung eines Zylinderkopfbereichs eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzsystem der vorliegenden Erfindung und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Aufheizvorrichtung für ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
  • In 1 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung eines Zylinderkopfbereichs eines Zylinders einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Einspritzsystem der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinder auf, welcher einen Brennraum 2 umfasst und in welchem sich ein Kolben 2' bewegt. Die Wandung des Brennraums 2 weist eine erste und eine zweite Einlassöffnung 10', 20' auf, durch welche jeweils ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer 2 angesaugt wird und eine erste und zweite Auslassöffnung 30, 31, durch welche die Rohabgase des verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemischs aus der Brennkammer 2 in erste und zweite Auslasskanäle 32, 33 ausgestoßen werden. Die Brennkraftmaschine 1 weist ein erstes Einlassventil 10 auf, welches zum Verschließen der ersten Einlassöffnung 10' vorgesehen ist und zwischen einem ersten Ansaugkanal 11 und der Brennkammer 2 angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner ein zweites Einlassventil 20 auf, welches zum Verschließen der zweiten Einlassöffnung 20' vorgesehen ist und zwischen einem zweiten Ansaugkanal 21 und der Brennkammer 2 angeordnet ist. Der erste und der zweite Ansaugkanal 11, 21 münden auf einer der Brennkammer 2 abgewandten Seite in ein nicht dargestelltes gemeinsames Saugrohr, wobei durch eine im Saugrohr angeordnete Drosselklappe (nicht dargestellt) Frischluft durch das Saugrohr in Richtung der Brennkammer 2 angesaugt wird. Im ersten Ansaugkanal 11 ist ein erstes Einspritzventil 12 angeordnet, welches eine erste Einspritzöffnung 14 aufweist, durch welche Kraftstoff 3 (insbesondere in Form eines Sprühstrahls von Kraftstofftröpfchen) durch den ersten Ansaugkanal 11 in den Bereich der ersten Einlassöffnung 10' gesprüht wird. Analog ist im zweiten Ansaugkanal 21 ein separates zweites Einspritzventil 22 angeordnet, welches eine einzige zweite Einspritzöffnung 24 aufweist, durch welche ein Kraftstoffgemisch 3 durch den zweiten Ansaugkanal 21 in den Bereich der zweiten Einlassöffnung 20' gesprüht wird. Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine Zündkerze oder auch eine Mehrzahl an Zündkerzen auf, die jedoch nicht eigens dargestellt sind.
  • In 2 ist eine schematische Darstellung einer Aufheizvorrichtung 60 zur schnelleren Aufheizung einer Katalysatoreinrichtung 66 für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Die Aufheizvorrichtung 60 weist erfindungsgemäß insbesondere eine Sekundärluftpumpe 61, ein Sekundärluftventil 62, ein Schalt-Relais 63 für die Sekundärluft, eine Lambda-Sonde 64 oder eine Mehrzahl von Lambda-Sonden 64 und einen Temperatursensor 65 auf. Die Aufheizvorrichtung 60 wird durch eine Steuereinrichtung 50 (Motorsteuergerät) der Brennkraftmaschine 1 gesteuert, was in 2 mittels verschiedener Doppelpfeile gekennzeichnet ist. Die Sekundärluftpumpe 61 bläst bei ihrer Aktivierung Frischluft über das Sekundärluftventil 62 in das Abgassystem. Der Temperatursensor 65 liefert ein Signal über die Abgas- und/oder Katalysatortemperatur an die Steuereinrichtung 50. Das dargestellte System eignet sich beispielsweise für ein chemisches Aufheizen der Katalysatoreinrichtung 66 durch Oxidation von Abgasbestandteilen, beispielsweise der noch unverbrannten Abgaskomponenten oder aber der Abgaskomponente CO zu CO2. Die Katalysatoreinrichtung 66 ist insbesondere als ein Dreiwege-Katalysator 66 vorgesehen. Die bei dieser Oxidation frei werdende große Wärmeenergiemenge heizt die Katalysatoreinrichtung 66 auf. Die Oxidation von CO zu CO2 wird bei diesem System dadurch erreicht, dass CO im Abgas durch einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit kraftstoffreichem Gemisch erzeugt wird und dass der zur Oxidation des CO notwendige Sauerstoff durch die Sekundärluftpumpe 61 in das Abgassystem eingeblasen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008044244 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Einspritzsystem für eine wenigstens einen Brennraum (2) aufweisende Brennkraftmaschine (1), wobei eine Wandung des Brennraums (2) eine von einem ersten Einlassventil (10) verschließbare erste Einlassöffnung (10') und eine von einem zweiten Einlassventil (20) verschließbare zweite Einlassöffnung (20') aufweist, wobei das Einspritzsystem ein erstes Einspritzventil (12) zur dosierten Einspritzung von Kraftstoff (3) in den Bereich der ersten Einlassöffnung (10') und ein zweites Einspritzventil (22) zur dosierten Einspritzung von Kraftstoff in den Bereich der zweiten Einlassöffnung (20') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem eine Katalysatoreinrichtung (66) und eine Aufheizvorrichtung (60) zur schnellen Aufheizung der Katalysatoreinrichtung (66) aufweist.
  2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auf heizvorrichtung (60) eine Sekundarluftpumpe (61) umfasst.
  3. Einspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftpumpe (61) konfiguriert ist, Luft in die Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine (1) zu fördern.
  4. Einspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Einspritzventil (12, 22) Saugrohreinspritzventile sind.
  5. Einspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Einspritzventil (11, 21) jeweils nur eine einzige Einspritzöffnung (14, 24) aufweisen.
  6. Brennkraftmaschine (1) aufweisend ein Einspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Einspritzsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Situation eines Startbetriebsmodus eine Verschiebung des Zündzeitpunkts dahingehend erfolgt, dass ein gegenüber einem Dauerbetriebsmodus späterer Zündzeitpunkt des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum (2) verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Zündzeitpunkts bei einer Temperatur der Katalysatoreinrichtung unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Situation des Startbetriebsmodus eine gegenüber einer vergleichbaren Betriebssituation des Dauerbetriebsmodus größere Kraftstoffmenge eingespritzt wird und die Aufheizvorrichtung aktiviert wird.
  10. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 programmiert ist.
  11. Speichermedium für eine Steuereinrichtung (50) eines Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Speichermedium ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 abgespeichert ist.
  12. Steuereinrichtung (50) für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 programmiert ist.
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