DE102013016503A1 - Method for operating reciprocating internal combustion engine for motor vehicle, involves performing insufflation within range from including four thundered twenty up to ninety degrees of crank angles, before top dead center of piston - Google Patents

Method for operating reciprocating internal combustion engine for motor vehicle, involves performing insufflation within range from including four thundered twenty up to ninety degrees of crank angles, before top dead center of piston Download PDF

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Günter Karl
Frank Otto
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Abstract

The method involves directly injecting a predetermined amount of gaseous fuel through two temporally spaced insufflation (20) into a cylinder by using an injector within a work cycle of a piston. The insufflation is performed within a range from including 420 degree crank angle up to 90 degrees of crank angle, before top dead center of the piston. The insufflation are performed in an intake stroke or a compression stroke of the piston.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for operating a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist der DE 10 2004 043 934 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist dabei mit meinem gasförmigen Kraftstoff betreibbar und weist eine Kurbelwelle, wenigstens einen Zylinder und einen in dem Zylinder aufgenommenen Kolben auf. Der Kolben ist relativ zu dem Zylinder translatorisch bewegbar und – beispielsweise über ein Pleuel – gelenkig mit der Kurbelwelle gekoppelt. Dadurch können die translatorischen Bewegungen des Kolbens im Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden. Die Kurbelwelle ist dabei eine Abtriebswelle, über die die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine Drehmomente bereitstellen kann. Die Drehmomente können beispielsweise zum Antreiben eines Kraftwagens verwendet werden.Such a method for operating a reciprocating internal combustion engine is the DE 10 2004 043 934 A1 to be known as known. The reciprocating internal combustion engine is operable with my gaseous fuel and has a crankshaft, at least one cylinder and a piston received in the cylinder. The piston is translationally movable relative to the cylinder and - coupled, for example via a connecting rod - articulated to the crankshaft. As a result, the translational movements of the piston in the cylinder can be converted into a rotational movement of the crankshaft. The crankshaft is an output shaft through which the reciprocating internal combustion engine can provide torques. The torques can be used for example for driving a motor vehicle.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird mittels eines Injektors innerhalb eines Arbeitsspiels des Kolbens eine vorgebbare Menge des gasförmigen Kraftstoffs in den Zylinder direkt eingeblasen. Zum Einblasen des Kraftstoffs werden mittels des Injektors wenigstens zwei zeitlich voneinander beabstandete Einblasungen durchgeführt. Dies bedeutet, dass das Einblasen der Menge des Kraftstoffs direkt in den Zylinder wenigstens einmal oder mehrmals unterbrochen wird.As part of the process, a predeterminable amount of the gaseous fuel is injected directly into the cylinder by means of an injector within a working cycle of the piston. For injecting the fuel at least two temporally spaced blow-ins are performed by means of the injector. This means that the injection of the amount of fuel directly into the cylinder is interrupted at least once or several times.
  • Die DE 10 2006 048 498 A1 offenbart eine fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare, mindestens einen Brennraum aufweisende Brennkraftmaschine, die zumindest einen ersten Injektor für gasförmigen Kraftstoff aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass der zumindest eine Injektor durch gasförmigen Kraftstoff mit einem Druck beaufschlagbar ist, der ungefähr einem Druck in einem Gastank entspricht. Ferner ist der gasförmige Kraftstoff durch den zumindest einen ersten Injektor direkt in den Brennraum einbringbar.The DE 10 2006 048 498 A1 discloses a spark-ignited, operable with gaseous fuel, at least one combustion chamber having internal combustion engine having at least a first injector for gaseous fuel. It is provided that the at least one injector can be acted upon by gaseous fuel with a pressure which corresponds approximately to a pressure in a gas tank. Furthermore, the gaseous fuel can be introduced directly into the combustion chamber through the at least one first injector.
  • Durch das direkte Einbringen beziehungsweise Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum beziehungsweise Zylinder wird eine sogenannte innere Gemischbildung der auch als Gasmotor bezeichneten Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bewirkt, da sich der gasförmige Kraftstoff erst in dem Zylinder mit Luft unter Ausbildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches vermischt.Due to the direct introduction or injection of the gaseous fuel into the combustion chamber or cylinder, a so-called internal mixture formation of the so-called gas engine reciprocating internal combustion engine is effected, since the gaseous fuel mixed only in the cylinder with air to form a fuel-air mixture.
  • Im Gegensatz dazu ist aus dem allgemeinen Stand der Technik auch eine sogenannte äußere Gemischbildung bei Gasmotoren bekannt. Hierbei wird der gasförmige Kraftstoff nicht direkt in den Zylinder, sondern in ein Ansaugelement stromauf des Zylinders eingeblasen. Ein solches Ansaugelement wird üblicherweise auch als Saugrohr bezeichnet und ist von Luft durchströmbar, die mittels des Kolbens angesaugt wird, dadurch das Ansaugelement durchströmt und in der Folge in den Kolben einströmt. Hierbei findet somit eine Vermischung des gasförmigen Kraftstoffs mit der in den Zylinder einströmenden Luft bereits stromauf, das heißt außerhalb des Zylinders, statt.In contrast, from the general state of the art also a so-called external mixture formation in gas engines is known. Here, the gaseous fuel is not injected directly into the cylinder, but in an intake upstream of the cylinder. Such a suction is usually referred to as a suction pipe and is traversed by air, which is sucked by means of the piston, thereby flows through the suction and flows in the sequence in the piston. In this case, mixing of the gaseous fuel with the air flowing into the cylinder already takes place upstream, that is, outside of the cylinder.
  • Die innere Gemischbildung wird üblicherweise auch als Direkteinblasung bezeichnet, wobei die äußere Gemischbildung üblicherweise auch als Saugrohreinblasung bezeichnet wird.The internal mixture formation is usually also referred to as direct injection, wherein the external mixture formation is usually also referred to as Saugrohreinblasung.
  • Bei der inneren Gemischbildung entfallen im Gegensatz zur äußeren Gemischbildung eine Mischstrecke zum Vermischen des gasförmigen Kraftstoffes mit der Luft sowie Verwirbelungen des gasförmigen Kraftstoffs bei Durchströmung beziehungsweise Umströmung der Einlassventile. Zudem ist die Gemischbildungszeit bei der inneren Gemischbildung wesentlich kürzer als bei der äußeren Gemischbildung. Des Weiteren kann sich bei der Direkteinblasung je nach Motorkonfiguration, insbesondere hinsichtlich Brennraum, Ladungswechselorgane und Einblasesystem, Betriebspunkt und Betriebsparameter der gasförmige Kraftstoff, welcher als Gasstrahl direkt in den Zylinder eingeblasen wird, an die den Zylinder begrenzenden Brennraumwand anlegen. Beim Einblasen kann es nämlich zu dem allgemein bekannten Coanda-Effekt kommen.In the internal mixture formation, in contrast to the outer mixture formation, a mixing section is omitted for mixing the gaseous fuel with the air, as well as turbulence of the gaseous fuel in the case of flow through or around the inlet valves. In addition, the mixture formation time in the internal mixture formation is much shorter than in the outer mixture formation. Furthermore, in the case of direct injection, depending on the engine configuration, in particular with regard to the combustion chamber, charge change devices and injection system, operating point and operating parameters, the gaseous fuel which is injected directly into the cylinder as a gas jet can be applied to the combustion chamber wall delimiting the cylinder. Namely, when blowing it can come to the well-known Coanda effect.
  • Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist als Viertaktmotor ausgebildet. Ein Arbeitsspiel des Kolbens erstreckt sich über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, das heißt über 720 Grad Kurbelwinkel. Während eines Arbeitsspiels führt der Kolben einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoß- beziehungsweise Ausschiebetakt aus. Im Rahmen des Ansaugtrakts wird Luft in den Zylinder angesaugt. Im Rahmen des Verdichtungstakts wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet. Hierzu bewegt sich der Kolben aus seinem unteren Totpunkt (UT) in seinen oberen Totpunkt (OT). Dieser obere Totpunkt des Verdichtungstakts wird üblicherweise auch als oberer Zündtotpunkt (Zünd-OT) bezeichnet, da das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich des oberen Zündtotpunkts gezündet wird.The reciprocating internal combustion engine is designed as a four-stroke engine. A working cycle of the piston extends over two revolutions of the crankshaft, that is about 720 degrees crank angle. During a work cycle, the piston performs an intake stroke, a compression stroke, a power stroke, and an exhaust stroke. As part of the intake tract, air is sucked into the cylinder. As part of the compression stroke, the fuel-air mixture is compressed. For this purpose, the piston moves from its bottom dead center (UT) to its top dead center (TDC). This top dead center of the compression stroke is usually also referred to as the top ignition dead center (ignition TDC), since the fuel-air mixture is ignited in the region of the top Zündtotpunkts.
  • Es hat sich gezeigt, dass es aufgrund dieser Besonderheiten bei der Direkteinblasung zu inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemischen im Zylinder zu einem Zündzeitpunkt, zu dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet beziehungsweise fremdgezündet wird, kommen kann. Daraus resultiert beispielsweise, dass die Zündung, die Entflammung und das Durchbrennen der Zylinderladung negativ beeinflusst werden. Hieraus können eine erhöhte Laufunruhe, Verbrauchsnachteile sowie erhöhte Schadstoffemissionen wie beispielsweise Kohlenwasserstoff-Emissionen und Kohlenmonoxid-Emissionen resultieren.It has been found that due to these peculiarities in the direct injection to inhomogeneous fuel-air mixtures in the cylinder at an ignition point at which the fuel-air mixture is ignited or spark ignited, may occur. The result, for example, that the ignition, the ignition and the burning of the cylinder charge negatively affected become. This may result in increased running noise, fuel economy and increased pollutant emissions such as hydrocarbon emissions and carbon monoxide emissions.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die eingangs genannten Nachteile der Direkteinblasung zumindest reduziert werden können.It is therefore an object of the present invention, a method for operating a operated with a gaseous fuel reciprocating internal combustion engine of the type mentioned in such a way that the aforementioned disadvantages of the direct injection can be at least reduced.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
  • Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welchem sich die genannten Probleme der Direkteinblasung zumindest reduzieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einblasungen innerhalb eines Bereichs von einschließlich 420 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 90 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens durchgeführt werden. Insbesondere werden alle Einblasungen, mittels welchen die Menge des Kraftstoffs innerhalb des Arbeitsspiels des Kolbens in den Zylinder eingebracht wird, innerhalb des genannten Bereichs durchgeführt.In order to provide a method specified in the preamble of claim 1 way, by means of which can reduce the mentioned problems of direct injection at least, it is provided according to the invention that the injections within a range of 420 ° inclusive crank angle up to and including 90 degrees crank angle before the upper Zündtotpunkt the piston are performed. In particular, all injections, by means of which the quantity of fuel is introduced into the cylinder within the working cycle of the piston, are carried out within said range.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Durchführen der wenigstens zwei zeitlich voneinander beabstandeten und somit zeitlich aufeinanderfolgenden Einblasungen des gasförmigen Kraftstoffs dieser gegenüber lediglich einer durchgängigen Einblasung besser auf unterschiedliche Bereiche des Zylinders und somit der Zylinderladung verteilt wird. Gleichzeitig kann ein Anlegen eines Gasstrahls, unter dessen Ausbildung der gasförmige Kraftstoff in den Zylinder eingeblasen wird, an die Zylinderwand vermieden oder gering gehalten werden. Darüber hinaus kann eine besonders vorteilhafte Gemischbildung hinsichtlich der Darstellung eines zumindest im Wesentlichen homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches realisiert werden.The invention is based on the finding that by carrying out the at least two time-spaced and thus temporally successive injections of the gaseous fuel, the latter is better distributed to different regions of the cylinder and thus the cylinder charge than merely a continuous injection. At the same time, application of a gas jet, under the formation of which the gaseous fuel is blown into the cylinder, can be avoided or kept small at the cylinder wall. In addition, a particularly advantageous mixture formation with regard to the representation of an at least substantially homogeneous fuel-air mixture can be realized.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Einblasungen bei einem Ansaugtakt oder bei einem Verdichtungstakt des Kolbens durchgeführt. Mit anderen Worten werden die Einblasungen bei einem Saughub oder bei einem Kompressionshub des Kolbens, das heißt wenn sich der Kolben von seinem oberen Totpunkt in seinen unteren Totpunkt bewegt und dabei Luft ansaugt oder wenn sich der Kolben von seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt bewegt und dabei ein sich in dem Zylinder befindendes Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet, durchgeführt. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs im Zylinder realisiert werden. Infolge der vorteilhaften Verteilung kann es zu einer vorteilhaften Entzündung, Entflammung und einem vorteilhaften Durchbrennen der Zylinderladung kommen, was mit einer sehr guten Laufruhe einhergeht. Darüber hinaus lassen sich dadurch der Kraftstoffverbrauch sowie die Schadstoffemissionen der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gering halten.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the insufflations are carried out in an intake stroke or at a compression stroke of the piston. In other words, the insufflations during a suction stroke or during a compression stroke of the piston, that is, when the piston moves from its top dead center to its bottom dead center and thereby draws air or when the piston moves from its bottom dead center to its top dead center and while a located in the cylinder fuel-air mixture compressed, carried out. In this way, a particularly advantageous distribution of the gaseous fuel in the cylinder can be realized. Due to the advantageous distribution, it can lead to an advantageous ignition, ignition and an advantageous burning of the cylinder charge, which is associated with a very good smoothness. In addition, this fuel consumption and the pollutant emissions of the reciprocating internal combustion engine can be kept low.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn als Injektor ein elektromagnetisch betätigbarer Injektor verwendet wird. Ein solcher elektromagnetisch betätigbarer Injektor kann besonders gut getaktet angesteuert werden, so dass sich die Einblasungen auch zeitlich kurz hintereinander durchführen lassen. Ferner kann dadurch die Menge des in den Zylinder einzublasenden Kraftstoffs besonders präzise eingestellt werden.It has proven to be particularly advantageous if an electromagnetically actuated injector is used as the injector. Such an electromagnetically actuated injector can be controlled in a particularly well-timed manner, so that the injections can also be carried out in chronological succession. Further, by the amount of fuel to be injected into the cylinder can be adjusted very precisely.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Einblasungen durchgeführt werden, während alle Einlassventile des Zylinders geschlossen sind. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der gasförmige Kraftstoff vorzugsweise erst nach dem Schließen der Einlassventile in den Zylinder direkt eingeblasen wird.Another embodiment is characterized in that the insufflations are performed while all the intake valves of the cylinder are closed. In other words, it is preferably provided that the gaseous fuel is preferably injected directly after closing the intake valves in the cylinder directly.
  • Die Einlassventile sind Gaswechselventile, mittels welchen wenigstens ein Einlasskanal, über den Luft beim Ansaugtrakt des Kolbens durch den Kolben angesaugt wird, strömen kann. Sind die Einlassventile geöffnet, so kann die Luft angesaugt werden und in den Zylinder einströmen. Sind die Einlassventile geschlossen, so kann der Kolben keine Luft ansaugen beziehungsweise es kann kein in dem Zylinder aufgenommenes Gas aus dem Zylinder in die Einlasskanäle entweichen, da die Einlasskanäle mittels der Einlassventile verschlossen sind. Dadurch, dass die Einlassventile geschlossen sind, entfällt die Verdrängung der Luft durch das eingeblasene Gas, und das maximale Drehmoment kann gesteigert werden. Dies hat sich besonders in Kennfeldbereichen mit niedriger Drehzahl und hoher Last als vorteilhaft erwiesen. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in diesen Kennfeldbereichen die Einblasungen während des Verdichtungstakts bei geschlossenen Einlassventilen durchgeführt werden. Mit anderen Worten findet die Unterbrechung der Einbringung des Kraftstoffs in den Zylinder in den Kennfeldbereichen mit niedriger Drehzahl und hoher Last statt bei geschlossenen Einlassventilen statt.The inlet valves are gas exchange valves, by means of which at least one inlet channel through which air is drawn in through the piston at the intake tract of the piston can flow. If the intake valves are open, the air can be sucked in and flow into the cylinder. If the inlet valves are closed, the piston can not suck in air or no gas taken up in the cylinder can escape from the cylinder into the inlet channels, since the inlet channels are closed by means of the inlet valves. The fact that the inlet valves are closed eliminates the displacement of the air by the injected gas, and the maximum torque can be increased. This has proven to be particularly advantageous in map areas with low speed and high load. It is preferably provided that in these map areas the injections are carried out during the compression stroke with closed inlet valves. In other words, the interruption of the introduction of the fuel into the cylinder takes place in the low-speed, high-load map areas instead of the intake valves closed.
  • Zur Realisierung einer besonders vorteilhaften Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs in den Zylinder ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zum Durchführen der Einblasungen eine Düse des Injektors nach außen in Richtung des Zylinders geöffnet wird. Hierzu wird beispielsweise eine Ventilnadel zum Verschließen und Freigeben wenigstens einer Öffnung, über die der gasförmige Kraftstoff in den Zylinder eingeblasen wird, bezogen auf den Injektor nach außen in Richtung des Zylinders, das heißt in den Zylinder hinein geöffnet.In order to realize a particularly advantageous injection of the gaseous fuel into the cylinder, it is provided in a further embodiment of the invention that a nozzle of the injector is opened to the outside in the direction of the cylinder for performing the injections. For this For example, a valve needle for closing and releasing at least one opening, via which the gaseous fuel is blown into the cylinder, is opened outward in the direction of the cylinder relative to the injector, that is to say into the cylinder.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der gasförmige Kraftstoff mit einem Druck in einem Bereich von einschließlich 5 bar bis einschließlich 20 bar in den Zylinder direkt eingeblasen wird. Hierdurch lässt sich eine besonders vorteilhafte Gemischbildung realisieren.Another embodiment is characterized in that the gaseous fuel is injected directly into the cylinder at a pressure in a range of from 5 bar inclusive up to and including 20 bar. This makes it possible to realize a particularly advantageous mixture formation.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der gasförmige Kraftstoff mittels des Injektors unter Ausbildung eines Gasstrahls mit einem Kegelwinkel in einem Bereich von einschließlich 60 Grad bis einschließlich 80 Grad eingeblasen. Mit anderen Worten wird der gasförmige Kraftstoff derart direkt in den Zylinder eingeblasen, dass sich ein zumindest im Wesentlichen kegelförmiger Gasstrahl mit einem Kegelwinkel ausbildet, welcher in einem Bereich von einschließlich 60 Grad bis einschließlich 80 Grad liegt. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs im Zylinder realisiert werden, so dass sich eine besonders gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisieren lässt.In a further advantageous embodiment of the invention, the gaseous fuel is injected by means of the injector to form a gas jet with a cone angle in a range of up to and including 80 degrees inclusive. In other words, the gaseous fuel is injected directly into the cylinder such that an at least substantially conical gas jet is formed with a cone angle which is in a range of from 60 degrees inclusive to 80 degrees inclusive. In this way, a particularly advantageous distribution of the gaseous fuel in the cylinder can be realized, so that a particularly good homogenization of the fuel-air mixture can be realized.
  • Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn als Injektor ein Injektor verwendet wird, welcher einen Durchfluss an gasförmigem Kraftstoff in einem Bereich von einschließlich 6 Gramm pro Sekunde bis einschließlich 8 Gramm pro Sekunde bei einem Relativdruck von 15 bar aufweist. Hierdurch kann bei der jeweiligen Einblasung eine hinreichende Menge an gasförmigem Kraftstoff in den Zylinder eingeblasen werden.Furthermore, it has proven to be particularly advantageous if the injector used is an injector which has a flow rate of gaseous fuel in a range of from 6 grams per second up to and including 8 grams per second at a relative pressure of 15 bar. In this way, a sufficient amount of gaseous fuel can be injected into the cylinder during the respective injection.
  • Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Injektor zumindest im Wesentlichen auf Höhe der Mittelachse des Zylinders angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Injektor vorzugsweise zentral im als Brennraum fungierenden Zylinder angeordnet. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs im Zylinder realisiert werden. Darüber hinaus kann die Gefahr, dass sich der gasförmige Kraftstoff aufgrund des Coanda-Effekts an eine den Zylinder begrenzende Brennraumwand anlegt, gering gehalten werden.Finally, it has proven to be particularly advantageous if the injector is arranged at least substantially at the level of the central axis of the cylinder. In other words, the injector is preferably arranged centrally in the cylinder acting as a combustion chamber. As a result, a particularly advantageous distribution of the gaseous fuel in the cylinder can be realized. In addition, the risk that the gaseous fuel due to the Coanda effect on a cylinder bounding combustion chamber wall, be kept low.
  • Zur Erfindung gehört auch eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt. Mittels des Verfahrens lässt sich ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer sowie emissionsarmer Betrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine realisieren. Darüber hinaus ist eine besonders hohe Laufruhe darstellbar. Gleichzeitig kann eine Direkteinblasung, das heißt eine innere Gemischbildung, realisiert werden, so dass im Vergleich zu einer äußeren Gemischbildung auf eine Mischstrecke verzichtet sowie die Verwirbelung des gasförmigen Kraftstoffs beim Einströmen in den Zylinder aufgrund der Umströmung der Einlassventile vermieden werden kann.The invention also includes a reciprocating internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, which is designed to carry out the method according to the invention. Advantageous embodiments of the method according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the reciprocating internal combustion engine according to the invention and vice versa. By means of the method, a particularly efficient and thus fuel-efficient and low-emission operation of the reciprocating internal combustion engine can be realized. In addition, a particularly high smoothness can be displayed. At the same time, a direct injection, that is to say an internal mixture formation, can be realized, so that a mixing section can be dispensed with compared to an external mixture formation and the swirling of the gaseous fuel as it flows into the cylinder can be avoided due to the flow around the inlet valves.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations, without departing from the scope of the invention ,
  • Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
  • 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform zum Betreiben einer mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, wobei wenigstens zwei zeitlich voneinander beabstandete Einblasungen durchgeführt werden, in deren Rahmen gasförmiger Kraftstoff mittels eines Injektors direkt in einen Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine eingeblasen wird; und 1 a diagram illustrating a method according to a first embodiment for operating a operated with a gaseous fuel reciprocating internal combustion engine, wherein at least two temporally spaced insufflations are performed, in the context of gaseous fuel is injected by means of an injector directly into a cylinder of the reciprocating internal combustion engine ; and
  • 2 das Diagramm gemäß 1 zur Veranschaulichung des Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. 2 the diagram according to 1 to illustrate the method according to a second embodiment.
  • 1 und 2 zeigen ein Diagramm 10 zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, wobei anhand von 1 eine erste Ausführungsform des Verfahrens und anhand von 2 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens veranschaulicht ist. 1 and 2 show a diagram 10 to illustrate a method for operating a reciprocating internal combustion engine, based on 1 a first embodiment of the method and with reference to 2 A second embodiment of the method is illustrated.
  • Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist als Gasmotor ausgebildet und wird somit mit einem gasförmigen Kraftstoff betrieben. Bei diesem gasförmigen Kraftstoff kann es sich beispielsweise um CNG (Compressed Natural Gas) handeln, welches üblicherweise auch als Erdgas bezeichnet wird. Der gasförmige Kraftstoff wird beispielsweise in einem Kraftstofftank gespeichert, wobei der gasförmige Kraftstoff in flüssiger Form in dem Tank gespeichert sein kann.The reciprocating internal combustion engine is designed as a gas engine and is thus operated with a gaseous fuel. This gaseous fuel may be, for example, CNG (Compressed Natural Gas), which is also commonly referred to as natural gas. The gaseous fuel is stored, for example, in a fuel tank, wherein the gaseous fuel may be stored in liquid form in the tank.
  • Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens einen Zylinder, in dem ein korrespondierender Kolben aufgenommen ist. Der Kolben ist relativ zu dem Zylinder translatorisch bewegbar. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine umfasst auch eine Kurbelwelle, mit welcher der Kolben über ein Pleuel gelenkig gekoppelt ist. Durch diese Kopplung können die translatorischen Bewegungen des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden. Dem Zylinder ist auch wenigstens ein Injektor zugeordnet, mittels welchem gasförmiger Kraftstoff direkt in den Zylinder eingebracht, das heißt eingeblasen werden kann. Somit ist bei der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine eine Direkteinblasung beziehungsweise eine innere Gemischbildung vorgesehen, da der gasförmige Kraftstoff direkt in den Zylinder und nicht etwa stromauf des Zylinders in ein Saugrohr eingespritzt wird. The reciprocating internal combustion engine comprises at least one cylinder, in which a corresponding piston is received. The piston is translationally movable relative to the cylinder. The reciprocating internal combustion engine also includes a crankshaft to which the piston is pivotally coupled via a connecting rod. Through this coupling, the translational movements of the piston can be converted into a rotational movement of the crankshaft. The cylinder is also associated with at least one injector, by means of which gaseous fuel introduced directly into the cylinder, that can be blown. Thus, in the reciprocating internal combustion engine, a direct injection or an internal mixture formation is provided, since the gaseous fuel is injected directly into the cylinder and not approximately upstream of the cylinder in a suction pipe.
  • Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist als Viertaktmotor ausgebildet, wobei der Kolben im Rahmen eines Arbeitsspiels einen Ansaugtrakt, einen darauffolgenden Verdichtungstakt, einen darauffolgenden Arbeitstakt und einen darauffolgenden Ausstoßtakt durchführt. Ein solches Arbeitsspiel erstreckt sich dabei über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, das heißt über 720 Grad Kurbelwinkel [°KW].The reciprocating internal combustion engine is designed as a four-stroke engine, wherein the piston performs in the context of a working cycle an intake tract, a subsequent compression stroke, a subsequent power stroke and a subsequent exhaust stroke. Such a work cycle extends over two revolutions of the crankshaft, that is about 720 degrees crank angle [° CA].
  • Dem Zylinder sind erste Gaswechselventile in Form von Einlassventilen zugeordnet. Die Einlassventile sind zwischen wenigstens einer Offenstellung und einer Schließstellung verstellbar. In der Offenstellung ist der Zylinder fluidisch mit Einlasskanälen und über diese mit dem Saugrohr verbunden. Dem Zylinder sind ferner zweite Gaswechselventile in Form von Auslassventilen zugeordnet. Auch die Auslassventile sind zwischen wenigstens einer Offenstellung und einer Schließstellung verstellbar. In der Offenstellung der Auslassventile ist der Zylinder mit Auslasskanälen fluidisch verbunden.The cylinder is associated with first gas exchange valves in the form of inlet valves. The inlet valves are adjustable between at least one open position and a closed position. In the open position, the cylinder is fluidically connected to intake ports and via this with the intake manifold. The cylinder is also associated with second gas exchange valves in the form of exhaust valves. The exhaust valves are adjustable between at least one open position and a closed position. In the open position of the exhaust valves, the cylinder is fluidly connected to exhaust ports.
  • Beim Durchführen des Ansaugtakts bewegt sich der Kolben von seinem oberen Totpunkt in seinen unteren Totpunkt. Sind dabei die Einlassventile zumindest zeitweise geöffnet, so wird dadurch Luft vom Kolben angesaugt. Diese Luft durchströmt das Saugrohr und die Einlasskanäle und strömt in den Zylinder ein. Dabei umströmt die Luft die geöffneten Einlassventile.When performing the intake stroke, the piston moves from its top dead center to its bottom dead center. If the inlet valves are at least temporarily open, air is thereby drawn in by the piston. This air flows through the intake manifold and the intake ports and flows into the cylinder. The air flows around the open intake valves.
  • Werden daraufhin die Einlassventile geschlossen und führt der Kolben seinen Verdichtungstakt durch, wobei er sich von seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt bewegt, so wird die Luft verdichtet.Then, when the intake valves are closed and the piston performs its compression stroke, moving from its bottom dead center to its top dead center, the air is compressed.
  • Wird mittels des Injektors eine vorgebbare Menge an gasförmigem Kraftstoff direkt in den Zylinder eingeblasen, so bildet sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches im Rahmen des Verdichtungstakts verdichtet wird. Das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündeinrichtung, beispielsweise mittels einer Zündkerze, gezündet. Mit anderen Worten ist eine Fremdzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen. Diese Zündung erfolgt im Bereich des oberen Totpunkts (OT) des Verdichtungstakts. Mit anderen Worten wird das Gemisch vor dem oberen Totpunkt, im oberen Totpunkt oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts gezündet. Daher wird der obere Totpunkt des Verdichtungstakts auch als oberer Zündtotpunkt (Zünd-OT) bezeichnet.If a predeterminable amount of gaseous fuel is injected directly into the cylinder by means of the injector, then a fuel-air mixture is formed, which is compressed as part of the compression stroke. The compressed fuel-air mixture is ignited by means of an ignition device, for example by means of a spark plug. In other words, a spark ignition of the fuel-air mixture is provided. This ignition occurs in the region of top dead center (TDC) of the compression stroke. In other words, the mixture is ignited before top dead center, top dead center or after top dead center of the compression stroke. Therefore, the top dead center of the compression stroke is also referred to as the top ignition dead center (Ignition TDC).
  • Durch die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird eine Verbrennung bewirkt, so dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch expandiert. Dabei bewegt sich der Kolben von seinem oberen Totpunkt wieder in seinen unteren Totpunkt. An diesen Arbeitstakt schließt sich der Ausstoßtakt an, wobei sich der Kolben wieder von seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt bewegt. Hierbei werden die Auslassventile zumindest zeitweise geöffnet, so dass das Abgas mittels des Kolbens aus dem Zylinder in die Auslasskanäle ausgeschoben werden kann.By the ignition of the fuel-air mixture combustion is effected, so that the fuel-air mixture expands. The piston moves from its top dead center back to its bottom dead center. This stroke is followed by the exhaust stroke, with the piston again moving from its bottom dead center to its top dead center. Here, the exhaust valves are at least temporarily opened, so that the exhaust gas can be ejected by means of the piston from the cylinder into the outlet channels.
  • Auf der Abszisse 14 des Diagramms 10 ist die Drehstellung der Kurbelwelle in der Einheit Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt [°KW vor Zünd-OT] aufgetragen. Auf der Ordinate 16 ist der im Zylinder herrschende Druck aufgetragen. Ein in das Diagramm 10 eingetragener Verlauf 18 charakterisiert den Verlauf des im Zylinder herrschenden Drucks während der Drehung der Kurbelwelle.On the abscissa 14 of the diagram 10 is the rotational position of the crankshaft in the unit degrees crank angle before the top Zündtotpunkt [° CA before ignition TDC] plotted. On the ordinate 16 is the pressure prevailing in the cylinder applied. One in the diagram 10 registered history 18 Characterizes the course of the pressure prevailing in the cylinder during the rotation of the crankshaft.
  • Im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine wird innerhalb eines Arbeitsspiels des Kolbens eine vorgebbare Menge des gasförmigen Kraftstoffs durch wenigstens zwei zeitlich voneinander beabstandete und somit zeitlich aufeinanderfolgende Einblasungen in den Zylinder direkt eingeblasen. Eine erste dieser Einblasungen ist in 1 mit 20 bezeichnet. Die zeitlich auf die erste Einblasung 20 folgende, zweite Einblasung ist in 1 mit 22 bezeichnet. Wie aus 1 erkennbar ist, werden die beiden Einblasungen 20, 22 innerhalb eines Bereichs von einschließlich 420 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 90 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt (Zünd-OT) des Kolbens durchgeführt. Dies bedeutet, dass mit den Einblasungen 20, 22 innerhalb des genannten Bereichs sowohl begonnen wird als auch, dass die Einblasungen 20, 22 innerhalb des genannten Bereichs beendet werden. Der obere Zündtotpunkt befindet sich auf der Abszisse 14 bei dem Wert 0. Wie aus 1 erkennbar ist, erreicht der Verlauf 18 kurz nach dem oberen Zündzeitpunkt sein Maximum. Wie aus 1 ferner erkennbar ist, werden die Einblasungen 20, 22 während des Ansaugtakts, das heißt während eines Saughubes des Kolbens, durchgeführt. Im Rahmen dieses Saughubes bewegt sich der Kolben von seinem oberen Totpunkt in seinen unteren Totpunkt, wobei Luft in den Zylinder angesaugt wird. Durch das Durchführen der beiden Einblasungen 20, 22 ist somit eine Zweifacheinblasung an gasförmigem Kraftstoff in den Zylinder realisiert.As part of the method for operating the reciprocating internal combustion engine within a working cycle of the piston, a predeterminable amount of the gaseous fuel is blown directly into the cylinder through at least two spaced-apart and thus temporally successive injections. A first of these insults is in 1 With 20 designated. The timing of the first injection 20 following, second injection is in 1 With 22 designated. How out 1 recognizable, are the two insults 20 . 22 Within a range of including 420 degrees crank angle up to and including 90 degrees crank angle before the top Zündtotpunkt (ignition TDC) performed the piston. This means that with the insufflations 20 . 22 within that range is both started and that the insufflations 20 . 22 be terminated within the stated range. The upper ignition dead center is on the abscissa 14 at the value 0. As out 1 is recognizable, the course reaches 18 shortly after the upper ignition point its maximum. How out 1 it can also be seen that the insufflations 20 . 22 during the intake stroke, that is, during a suction stroke of the piston performed. As part of this suction stroke, the piston moves from its top dead center to its bottom dead center, with air being sucked into the cylinder. By performing the two injections 20 . 22 Thus, a double injection of gaseous fuel is realized in the cylinder.
  • Aus 2 ist erkennbar, dass die Einblasungen 20, 22 bei der zweiten Ausführungsform nun nicht während des Saughubes, sondern bei dem Verdichtungstakt, das heißt während eines Kompressionshubes des Kolben durchgeführt werden. Im Rahmen dieses Kompressionshubes bewegt sich der Kolben aus seinem unteren Totpunkt in den als oberer Zündtotpunkt ausgebildeten oberen Totpunkt, womit die Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches einhergeht. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der gasförmige Kraftstoff nach dem Schließen der Einlassventile direkt in den Zylinder eingeblasen wird. Dies bedeutet, dass die Einblasungen 20, 22, insbesondere die erste Einblasung 20, erst dann gestartet wird, wenn die Einlassventile bereits geschlossen sind.Out 2 is recognizable that the insufflations 20 . 22 in the second embodiment now not during the suction stroke, but at the compression stroke, that is performed during a compression stroke of the piston. In the context of this compression stroke, the piston moves from its bottom dead center into the top dead center formed as the top ignition dead center, whereby the compression of the fuel-air mixture is accompanied. Preferably, it is provided that the gaseous fuel is injected directly into the cylinder after closing the intake valves. This means that the insufflations 20 . 22 , in particular the first injection 20 , is only started when the inlet valves are already closed.
  • Es wurde nämlich gefunden, dass durch die Durchführung der Einblasungen 20, 22 innerhalb des genannten Bereiches eine besonders vorteilhafte Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs in dem Zylinder realisieren lässt. Daraus resultiert eine besonders vorteilhafte Gemischbildung, so dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch zumindest im Wesentlichen homogen ist. Hierdurch können eine besonders hohe Laufruhe sowie eine sehr hohe Effizienz der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, so dass der Kraftstoffverbrauch gering gehalten werden kann. Darüber hinaus kann die Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC-Emission), insbesondere die Emission von Methan, besonders gering gehalten werden.It has been found that by carrying out the injections 20 . 22 within the said range can realize a particularly advantageous distribution of the gaseous fuel in the cylinder. This results in a particularly advantageous mixture formation, so that the fuel-air mixture is at least substantially homogeneous. As a result, a particularly high smoothness and a very high efficiency of the reciprocating internal combustion engine can be realized, so that the fuel consumption can be kept low. In addition, the emission of unburned hydrocarbons (HC emission), in particular the emission of methane, can be kept particularly low.
  • Im Gegensatz zur anhand von 1 und 2 veranschaulichten Zweifacheinblasung kann vorgesehen sein, dass mehrere, das heißt wenigstens drei Einblasungen von gasförmigem Kraftstoff durchgeführt werden.In contrast to the basis of 1 and 2 illustrated double injection may be provided that a plurality, that is, at least three injections of gaseous fuel are performed.
  • Mehrfacheinblasungen, das heißt wenigstens zwei zeitlich aufeinanderfolgende Einblasungen können beispielsweise durch getaktetes Ansteuern des Injektors realisiert werden. Hierdurch ist eine Einblasestrategie bei der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit innerer Gemischbildung realisiert, durch welche ein besonders effizienter, effektiver, emissions- und kraftstoffverbrauchsarmer sowie laufruhiger Betrieb realisierbar ist.Multiple injections, that is, at least two successive injections can be realized, for example by clocked driving the injector. As a result, a Einblasestrategie is realized in the reciprocating internal combustion engine with internal mixture formation, by which a particularly efficient, effective, low emission and fuel consumption and quiet operation can be realized.
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    • DE 102004043934 A1 [0002] DE 102004043934 A1 [0002]
    • DE 102006048498 A1 [0004] DE 102006048498 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer zumindest mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren, eine Kurbelwelle, wenigstens einen Zylinder und einen in dem Zylinder aufgenommen und mit der Kurbelwelle gekoppelten Kolben umfassenden Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, bei welchem mittels eines Injektors innerhalb eines Arbeitsspiels des Kolbens eine vorgebbare Menge des gasförmigen Kraftstoffs durch wenigstens zwei zeitlich voneinander beabstandete Einblasungen (20, 22) in den Zylinder direkt eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasungen (20, 22) innerhalb eines Bereichs von einschließlich 420 Grad Kurbelwinkel bis einschließlich 90 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens durchgeführt werden.Method for operating a reciprocating internal combustion engine which can be operated at least with a gaseous fuel, comprises a crankshaft, at least one cylinder and a piston which is accommodated in the cylinder and coupled to the crankshaft, wherein a presettable amount of the gaseous fuel is produced by means of an injector within a working cycle of the piston by at least two temporally spaced blow-ins ( 20 . 22 ) is blown directly into the cylinder, characterized in that the insufflations ( 20 . 22 ) within a range of including 420 degrees crank angle up to and including 90 degrees crank angle before the top dead center of the piston.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasungen (20, 22) bei einem Ansaugtakt oder bei einem Verdichtungstakt des Kolbens durchgeführt werden.Method according to claim 1, characterized in that the injections ( 20 . 22 ) are performed at an intake stroke or at a compression stroke of the piston.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasungen (20, 22) durchgeführt werden, während alle Einlassventile des Zylinders geschlossen sind.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the insufflations ( 20 . 22 ) are performed while all intake valves of the cylinder are closed.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Injektor ein elektromagnetisch betätigbarer Injektor verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as the injector, an electromagnetically actuated injector is used.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen der Einblasungen (20, 22) eine Düse des Injektors nach außen in Richtung des Zylinders geöffnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for carrying out the injections ( 20 . 22 ) a nozzle of the injector is opened outwards in the direction of the cylinder.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Kraftstoff mit einem Druck in einem Bereich von einschließlich 5 bar bis einschließlich 20 bar eingeblasen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gaseous fuel is injected at a pressure in a range of from 5 bar inclusive up to and including 20 bar.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Kraftstoff mittels des Injektors unter Ausbildung eines Gasstrahls mit einem Kegelwinkel in einem Bereich von einschließlich 60 Grad bis einschließlich 80 Grad eingeblasen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gaseous fuel is injected by means of the injector to form a gas jet with a cone angle in a range of inclusive 60 degrees up to and including 80 degrees.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Injektor ein Injektor verwendet wird, welcher einen Durchfluss an gasförmigem Kraftstoff in einem Bereich von einschließlich 6 Gramm pro Sekunde bis einschließlich 8 Gramm pro Sekunde bei einem Relativdruck von 15 bar aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an injector is used as the injector, which has a flow rate of gaseous fuel in a range of from 6 grams per second up to and including 8 grams per second at a relative pressure of 15 bar.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor zumindest im Wesentlichen auf Höhe der Mittelachse des Zylinders angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the injector is arranged at least substantially at the height of the central axis of the cylinder.
  10. Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, welche zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgelegt ist.Reciprocating internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
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