DE102016200700A1

DE102016200700A1 - Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine und fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102016200700A1
Application number: DE102016200700.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Kay Hohenböken; Klemens Grieser; Jan Linsel
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-20
Also published as: US10077750B2; WO2017127680A1; CN108474315A; US20170204827A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (6), bei der jeder Zylinder (6) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder (6) mit einer Einspritzvorrichtung (1) ausgestattet ist, die über einen beweglichen Verschlusskörper verfügt, der zwangsgesteuert im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei in einem Gehäuse der Einspritzvorrichtung (1) vorgesehene Öffnungen (3, 3a, 3b) zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder (6) mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt, wobei der bewegliche Verschlusskörper in einer Ruheposition die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) vom Kraftstoffversorgungssystem trennt und damit versperrt und in einer Arbeitsposition die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Arbeitsposition, in der die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden sind, der Verschlusskörper in die Ruheposition überführt wird, wobei mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) der Einspritzvorrichtung (1) nacheinander zeitlich versetzt vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt werden, in der Art, dass mindestens eine Öffnung (3, 3a) bereits vollständig vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt ist, während mindestens eine andere Öffnung (3, 3b) noch mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, die über einen beweglichen Verschlusskörper verfügt, der zwangsgesteuert im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei in einem Gehäuse der Einspritzvorrichtung vorgesehene Öffnungen zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt, wobei der bewegliche Verschlusskörper in einer Ruheposition die mindestens zwei Öffnungen vom Kraftstoffversorgungssystem trennt und damit versperrt und in einer Arbeitsposition die mindestens zwei Öffnungen mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine fremdgezündete Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. fremdgezündete Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der fremdgezündeten Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei fremdgezündeten Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, der mit einem homogenen Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Entwicklung hybrider Brennverfahren und basiert auf der Übernahme technischer Merkmale des traditionellen dieselmotorischen Verfahrens, das charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung. Der geringe Kraftstoffverbrauch der Dieselmotoren resultiert unter anderem aus der Qualitätsregelung, bei der die Last über die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert wird.
Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens angesehen, mit dem der Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar reduziert werden kann. In bestimmten Betriebsbereichen kommt dann eine Qualitätsregelung zum Einsatz.
Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
Die Schichtladung ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisierbar ist, sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist, wobei im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration vorliegt.
Eine fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung einschließlich der Verdampfung, sowie die Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
Da durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zur Verfügung steht, sind direkteinspritzende Verfahren wesentlich empfindlicher gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere bei der Einspritzung, als herkömmliche Verfahren mit Saugrohreinspritzung.
Die Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist auch ein Grund dafür, dass die vom dieselmotorischen Verfahren her bekannten Partikelemissionen beim direkteinspritzenden Ottomotor ebenfalls von Relevanz sind, wohingegen diese Emissionen beim traditionellen Ottomotor nahezu keine Bedeutung haben.
Probleme bei der direkten Einspritzung von Kraftstoff bereitet die Verkokung der Einspritzvorrichtung, beispielsweise einer zur Einspritzung verwendeten Einspritzdüse. Dabei Verbrennen kleinste Mengen an Kraftstoff, die beim Einspritzen an der Einspritzvorrichtung haften bleiben, unter Sauerstoffmangel unvollständig.
An der Einspritzvorrichtung bilden sich Ablagerungen von Verkokungsrückständen. Zum einen können diese Verkokungsrückstände die Geometrie der Einspritzvorrichtung nachteilig verändern und die Ausbildung des Einspritzstrahls beeinflussen bzw. behindern und auf diese Weise die Gemischaufbereitung empfindlich stören.
Zum anderen lagert sich eingespritzter Kraftstoff in den porösen Verkokungsrückstände ein, der dann häufig gegen Ende der Verbrennung, wenn der für die Verbrennung bereitgestellte Sauerstoff nahezu aufgebraucht ist, unvollständig verbrennt und Ruß bildet, welcher wiederum zur Erhöhung der Partikelemissionen beiträgt.
Zudem können sich Verkokungsrückstände ablösen, beispielsweise infolge mechanischer Beanspruchung, bedingt durch eine sich im Brennraum ausbreitende Druckwelle oder Einwirkung des Einspritzstrahls. Die auf diese Weise abgelösten Rückstände können zu Beschädigungen im Abgasabführsystem führen und beispielsweise die Funktionstüchtigkeit von im Abgasabführsystem vorgesehenen Systemen zur Abgasnachbehandlung beeinträchtigen.
Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, die dem Aufbau von Verkokungsrückständen entgegenwirken sollen und/oder dazu dienen, Ablagerungen von Verkokungsrückständen abzubauen, d. h. den Brennraum von diesen Verkokungsrückständen zu befreien und zu reinigen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 45 813 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem bei Erkennen von Ablagerungen im Brennraum, beispielsweise auf einem Einspritzventil, gezielt Maßnahmen zur Reinigung des Brennraums ergriffen werden, wobei über eine Aussetzerkennung auf Ablagerungen im Brennraum geschlossen wird. Als Maßnahmen zur Reinigung des Brennraums werden das gezielte Herbeiführen einer klopfenden Verbrennung und/oder das Einbringen einer Reinigungsflüssigkeit in die angesaugte Verbrennungsluft vorgeschlagen. Beide Maßnahmen sind hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen als kritisch anzusehen.
Als besonders vorteilhafte Reinigungsflüssigkeit wird Wasser vorgeschlagen, durch dessen Einspritzung die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird, wodurch gleichzeitig die Emissionen an Stickoxiden (NO_x) reduziert werden können. Das Einspritzen von Wasser eignet sich aber nicht im Teillastbetrieb bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen, da Korrosion im Brennraum und im Abgasabführsystem zu befürchten ist und sich Nachteile beim Verschleiß ergeben können.
Die europäische Patentschrift EP 1 404 955 B1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, deren mindestens einer Brennraum zumindest bereichsweise eine katalytische Beschichtung der Oberfläche zur Oxidation von Verkokungsrückständen aufweist. Die katalytische Schicht soll die Oxidation von Verkokungsrückständen fördern, nämlich eine schnelle Oxidation des kohlenstoffhaltigen Belags an einer Grenzfläche zwischen Katalysator und Belag bei typischen Betriebstemperaturen bewirken und damit eine frühzeitige Ablösung der Ablagerung unter Wirkung der vorhandenen Strömung. Auf diese Weise soll ein Anwachsen der Rückstände reduziert oder sogar vollständig unterdrückt werden.
Nachteilig an dem in der EP 1 404 955 B1 beschriebenen Verfahren zur Reduzierung von Verkokungsrückständen mittels Oxidation ist, dass die für die Oxidation erforderlichen Mindesttemperaturen auch bei Verwendung katalytischer Materialien im Teillastbetrieb bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen nicht immer erreicht werden. Es sind aber gerade diese Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, nämlich niedrige Lasten und/oder niedrige Drehzahlen, die die Bildung von Ablagerungen der in Rede stehenden Art fördern, d. h. begünstigen, und eines Verfahrens zur Entfernung dieser Ablagerungen bedürfen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 17 519 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei der die Einlassventileinheit eines Zylinders gezielt mit einer die Wärmeableitung behindernden Maßnahme ausgestattet, d. h. ausgebildet ist, um die Oberflächentemperatur im Bereich der Kehlung des Einlassventils zu erhöhen. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass zumindest in der Kehlung die für den Abbau von Verkokungsrückständen erforderlichen hohen Temperaturen während des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine öfter bzw. regelmäßig erreicht werden.
Nichtdestotrotz wird der Bereich im Last-Drehzahl-Kennfeld, in dem die erforderlichen Temperaturen tatsächlich erreicht werden, lediglich aufgeweitet, d. h. vergrößert. Der Bereich, in dem die zum Abbau von Verkokungsrückständen erforderlichen Mindesttemperaturen von 380°C vorliegen, liegt nahe bzw. benachbart zur Volllastlinie bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten. Verfahrenstechnische Maßnahmen zur gezielten Erhöhung der Bauteiltemperatur in anderen Kennfeldbereichen werden gemäß der DE 101 17 519 A1 nicht ergriffen. Vielmehr verlässt man sich darauf, dass sich die erforderlichen Temperaturen während des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine in entsprechenden Bereichen des Last-Drehzahl-Kennfeldes von selbst einstellen.
Insofern ermöglicht auch das Verfahren der DE 101 17 519 A1 nicht den Abbau von Verkokungsrückständen, d. h. die Reinigung mittels Oxidation, bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine.
Die vorstehend beschriebene Problematik gewinnt während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine noch zusätzlich an Bedeutung, insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmachine, wenn die Bauteiltemperaturen besonders niedrig sind. Denn das niedrige Temperaturniveau begünstigt nicht nur die Bildung von Verkokungsrückständen, sondern erschwert auch die Beseitigung dieser Rückstände.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem dem Aufbau von Verkokungsrückständen an der Einspritzvorrichtung wirksam und gezielt entgegen gewirkt wird.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, die über einen beweglichen Verschlusskörper verfügt, der zwangsgesteuert im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei in einem Gehäuse der Einspritzvorrichtung vorgesehene Öffnungen zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt, wobei der bewegliche Verschlusskörper in einer Ruheposition die mindestens zwei Öffnungen vom Kraftstoffversorgungssystem trennt und damit versperrt und in einer Arbeitsposition die mindestens zwei Öffnungen mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von einer Arbeitsposition, in der die mindestens zwei Öffnungen mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden sind, der Verschlusskörper in die Ruheposition überführt wird, wobei mindestens zwei Öffnungen der Einspritzvorrichtung nacheinander zeitlich versetzt vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt werden, in der Art, dass mindestens eine Öffnung bereits vollständig vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt ist, während mindestens eine andere Öffnung noch mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dem Aufbau von Verkokungsrückständen a priori entgegen gewirkt. Durch die erfindungsgemäße Art und Weise des Einspritzens, d. h. die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Einspritzvorganges werden Verkokungsrückstände von vornherein vermieden bzw. deutlich vermindert.
Erfindungsgemäß wird der Einspritzvorgang, d. h. das Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder dadurch beendet, dass die Öffnungen der Einspritzvorrichtung nicht gleichzeitig vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt werden, sondern zeitlich versetzt. Durch das Trennen vom Kraftstoffversorgungssystem werden die Öffnungen deaktiviert, d. h. versperrt und für den Kraftstoffeintrag gesperrt. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Öffnungen der Einspritzvorrichtung nicht gleichzeitig, sondern nacheinander deaktiviert.
Diese Vorgehensweise hat den technischen Effekt, dass beim Einspritzen an der Einspritzvorrichtung kein Kraftstoff mehr haften bleibt bzw. die gegen Ende der Einspritzung an der Einspritzvorrichtung brennraumseitig anhaftende Kraftstoffmenge weitestgehend minimiert wird. Insofern wird der Ausbildung von Verkokungsrückständen, die auf einer unvollständigen Verbrennung eben dieser übrig gebliebenen Kraftstoffmengen basiert, die Grundlage entzogen, d. h. die Voraussetzung genommen.
Auf welchen physikalischen Zusammenhängen die vorstehend beschriebene Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht, lässt sich anhand einer herkömmlichen nach innen öffnenden Einspritzdüse erläutern, bei der eine Düsennadel gegen Ende der Einspritzung in die Ruheposition überführt wird, in welcher die Nadel ein am brennraumseitigen Ende der Düse angeordnetes Sackloch vom Kraftstoffversorgungssystem trennt. Der Druck des gegen Ende der Einspritzung im Sackloch befindlichen Kraftstoffes baut sich über die Düsenlöcher ab, welche jeweils via Kanal mit dem Sackloch verbunden sind.
Da nach dem Stand der Technik sämtliche Düsenlöcher gleichzeitig deaktiviert werden, baut sich der Druck im Sackloch vorzugsweise über die Düsenlöcher ab, die dem Druckabbau am wenigsten Widerstand entgegen setzen bzw. diesen Druckabbau unterstützen. Diesbezüglich unterscheiden sich die Düsenlöcher, wobei der Winkel α_gravity, den ein Düsenloch bzw. der düsenzugehörige Kanal mit der Erdbeschleunigung, d. h. der Gravitation bildet, maßgeblichen Einfluss zu haben scheint.
Je größer der Winkel α_gravity ist, den ein Düsenloch bzw. der düsenzugehörige Kanal mit der Erdbeschleunigung bildet, desto anfälliger scheint das Düsenloch für das Anhaften von Kraftstoff gegen Ende der Einspritzung zu sein. Der Druck bzw. Impuls, der für das Ausbringen des Kraftstoffes erforderlich und auch verantwortlich ist, scheint bei einem horizontaler verlaufenden Düsenloch geringer zu sein als bei einem Düsenloch, das vertikaler verläuft.
Insofern werden erfindungsgemäß auch vorzugsweise die Öffnungen zuerst vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt, die für das Anhaften von Kraftstoff weniger anfällig sind.
In der Summe bilden sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger bzw. keine Ablagerungen von Verkokungsrückständen an der Einspritzvorrichtung, da ein Anhaften von Kraftstoff an der Einspritzvorrichtung vermieden und der Kraftstoff vollständig bzw. nahezu restlos in den Brennraum des Zylinders eingebracht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt, mit dem dem Aufbau von Verkokungsrückständen an der Einspritzvorrichtung wirksam und gezielt entgegen gewirkt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einer Arbeitsposition, in der die mindestens zwei Öffnungen mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden sind, der Verschlusskörper in die Ruheposition überführt wird, wobei mindestens eine Öffnung, die für das Anhaften von Kraftstoff anfälliger ist, später vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt wird als mindestens eine andere Öffnung, die für das Anhaften von Kraftstoff weniger anfällig ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einer Arbeitsposition, in der die mindestens zwei Öffnungen mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden sind, der Verschlusskörper in die Ruheposition überführt wird, wobei mindestens eine Öffnung, die in der Einbauposition der Brennkraftmaschine mit einer vorherrschenden Erdbeschleunigung einen größeren Winkel α_gravity bildet, später vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt wird als mindestens eine andere Öffnung, die in der Einbauposition der Brennkraftmaschine mit einer vorherrschenden Erdbeschleunigung einen weniger großen Winkel α_gravity bildet.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich eine fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer zuvor beschriebenen Art bereitzustellen, wird gelöst mit einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, die über einen beweglichen Verschlusskörper verfügt, der zwangsgesteuert im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei in einem Gehäuse der Einspritzvorrichtung vorgesehene Öffnungen zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt, wobei der bewegliche Verschlusskörper in einer Ruheposition die mindestens zwei Öffnungen vom Kraftstoffversorgungssystem trennt und damit versperrt und in einer Arbeitsposition die mindestens zwei Öffnungen mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verschlusskörper in eine Arbeitsposition überführbar ist, in der mindestens eine Öffnung bereits vollständig vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt ist, während mindestens eine andere Öffnung noch mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden ist.
Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich des Verfahrens gemachten Ausführungen.
Das Kraftstoffversorgungssystem kann eine Pumpe, ein Vorratsbehältnis, d. h. einen Kraftstoffspeicher, und/oder eine Kraftstoffleitung, beispielsweise die gemeinsame Versorgungsleitung eines Common-Rail-Systems, umfassen. Dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf das Trennen vom Kraftstoffversorgungssystem abgestellt wird, ist dadurch begründet, dass zum Beenden des Einspritzvorganges die Öffnungen regelmäßig nicht im eigentlichen Sinne geschlossen, sondern häufig nur von der Kraftstoffversorgung getrennt werden.
Der Verschlusskörper, beispielsweise die kugelförmige Spitze einer Düsennadel, kann elektromagnetisch, piezoelektrisch oder auf andere Weise betätigt, d. h. bewegt und von einer Position in eine andere Position überführt werden, wobei der Verschlusskörper regelmäßig mehrere Arbeitspositionen einnehmen kann.
Das erfindungsgemäß zeitlich versetzte Sperren von mindestens zwei Öffnungen der Einspritzvorrichtung erfordert eine gegenüber dem Stand der Technik veränderte Anordnung der Öffnungen bzw. mindestens einer Öffnung, eine andersartige Formgebung des Verschlusskörpers und/oder einen andersartigen, beispielsweise nicht geradlinigen Verschiebeweg des Verschlusskörpers.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Öffnungen in der Einbauposition der Brennkraftmaschine mit einer vorherrschenden Erdbeschleunigung einen unterschiedlich großen Winkel α_gravity bilden.
Vorliegend wird auf die Einbauposition der Brennkraftmaschine abgestellt, d. h. auf die in einem Fahrzeug verbaute bzw. montierte Brennkraftmaschine, wobei von einem horizontalen, senkrecht zur Erdbeschleunigung ausgerichteten Fahrzeug ausgegangen wird.
Die Gravitation kann dem Anhaften von Kraftstoff an der Öffnung entgegen wirken bzw. dieses Anhaften vermindern helfen. Bei einer quer, d. h. geneigt zur Erdbeschleunigung ausgerichteten Öffnung kann die Gravitation das Entleeren der Öffnung prinzipbedingt nicht optimal unterstützen, so dass eine solche Öffnung anfälliger ist für das Anhaften von Kraftstoff als eine Öffnung, die vertikaler verläuft.
Je größer der Winkel α_gravity ist, den eine Öffnung bzw. der zugehörige Kanal mit der Erdbeschleunigung bildet, desto anfälliger scheint diese Öffnung für das Anhaften von Kraftstoff zu sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung über mindestens fünf Öffnungen verfügt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung über mindestens sechs Öffnungen verfügt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung über mindestens sieben Öffnungen verfügt.
Die drei vorstehenden Ausführungsformen tragen dem Umstand Rechnung, dass die Anzahl der Öffnungen die Verteilung des eingebrachten Kraftstoffes im Brennraum des Zylinders mit beeinflusst. Je mehr Öffnungen vorgesehen werden desto weiträumiger lässt sich der Kraftstoff im Brennraum verteilen und desto effektiver lässt sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch homogenisieren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der bewegliche Verschlusskörper translatorisch verschiebbar ist.
Bei einer herkömmlichen nach innen öffnenden Einspritzdüse nach dem Stand der Technik wird eine Düsennadel translatorisch verschoben, um einen am brennraumseitigen Ende der Düsenadel angeordneten kugelartigen Verschlusskörper aus der Ruheposition in eine Arbeitsposition zu überführen. In der Arbeitsposition gibt der kugelartige Verschlusskörper ein Sackloch frei und verbindet damit die vom Sackloch ausgehenden Kanäle der Düsenlöcher mit dem Kraftstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine.
Zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung müsste bei Verwendung eines translatorisch verschiebbaren Verschlusskörpers mindestens eine Öffnung verändert angeordnet werden und/oder der Verschlusskörper eine andere Form bzw. Gestalt aufweisen als nach dem Stand der Technik; beispielsweise einseitig abgeflacht sein.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der bewegliche Verschlusskörper entlang einer bogenförmigen Kurve verschiebbar ist.
Vorteilhaft können zudem Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verschiebeweg des beweglichen Verschlusskörpers sowohl eine geradlinige Komponente als auch eine bogenförmige Komponente aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Öffnung auf einem äußeren Umfang des in der Ruheposition befindlichen Verschlusskörpers angeordnet ist. Diese Öffnung würde dann vorzugsweise eine Öffnung darstellen, die für das Anhaften von Kraftstoff weniger anfällig ist und früher vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt wird als mindestens eine andere Öffnung, die für das Anhaften von Kraftstoff anfälliger ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Öffnung an einem freien Ende des in der Ruheposition befindlichen Verschlusskörpers angeordnet ist, wobei das freie Ende dem Brennraum des Zylinders zugewandt ist. Diese Öffnung würde dann vorzugsweise eine Öffnung darstellen, die für das Anhaften von Kraftstoff anfälliger ist und später vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt wird als mindestens eine andere Öffnung, die für das Anhaften von Kraftstoff weniger anfällig ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die Einspritzdüse mit einer in Richtung einer Längsachse in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei als Öffnungen fungierende Düsenlöcher zwecks Einbringen von Kraftstoff mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verschlusskörper an einem freien Ende der Düsennadel angeordnet ist, wobei das freie Ende der Düsennadel das brennraumseitige Ende ist.
Ist die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Einspritzdüse mit einem kugelförmigen Verschlusskörper ausgestattet ist.
Ist die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Einspritzdüse mit einem balligen Verschlusskörper ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der bewegliche Verschlusskörper symmetrisch ausgebildet ist. Bei der Symmetrie kann es sich um eine Symmetrie bezüglich des Verschiebeweges des Verschlusskörpers handeln oder aber der Verschlusskörper ist rotationssymmetrisch, beispielsweise eine Kugel bzw. kugelförmig.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der bewegliche Verschlusskörper unsymmetrisch ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mit einer Zündeinrichtung zur Einleitung einer Fremdzündung ausgestattet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch im Querschnitt das Fragment eines Gehäuses einer als Einspritzvorrichtung dienenden Einspritzdüse einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch im Querschnitt das Fragment eines Gehäuse einer als Einspritzvorrichtung 1 dienende Einspritzdüse 1a einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Bei der in 1 dargestellten Einspritzdüse 1a handelt es sich um eine Mehrlochdüse, bei der mehrere Öffnungen 3 vorgesehen sind. Am freien Ende 2 der Düse 1a, d. h. an der Düsenspitze 2, ist ein Sackloch 5 angeordnet und mehrere Düsenlöcher 3, 3b, die via Kanälen 4 mit Kraftstoff versorgt werden. Dabei münden die Kanäle 4 unter Ausbildung der Düsenlöcher 3, 3b in den Brennraum des Zylinders 6, wobei der Kraftstoff im Rahmen einer Einspritzung aus den Düsenlöchern 3b austritt.
Eine Öffnung 3, 3a ist vorliegend auf einem äußeren Umfang des in 1 nicht dargestellten, translatorisch verschiebbaren und in der Ruheposition befindlichen Verschlusskörpers angeordnet. In der Ruheposition lagert der Verschlusskörper entlang einer linienförmigen Dichtung 7 in der Düsenspitze 2 und trennt die Öffnungen 3, 3a, 3b von einem Kraftstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine, wodurch die Öffnungen 3, 3a, 3b im Hinblick auf das Einbringen von Kraftstoff deaktiviert werden.
Zum Beenden des Einspritzvorganges werden die Öffnungen 3, 3a, 3b der Einspritzdüse 1a vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt, aber nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt nacheinander. Dabei werden zuerst die Öffnungen 3, 3a vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt, die für das Anhaften von Kraftstoff weniger anfällig sind.
Vorliegend bildet das auf dem äußeren Umfang des Verschlusskörpers angeordnete Düsenloch 3, 3a mit der vorherrschenden Erdbeschleunigung g einen kleineren Winkel α_gravity, weshalb dieses Düsenloch 3, 3a für das Anhaften von Kraftstoff weniger anfällig ist und früher vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt wird als die anderen an der Düsenspitze 2 angeordneten Düsenlöcher 3, 3b, die in der Einbauposition der Brennkraftmaschine mit der vorherrschenden Erdbeschleunigung einen größeren Winkel α_gravity bilden.
Bezugszeichenliste

1: Einspritzvorrichtung
1a: Einspritzdüse
2: Düsenspitze, freies Ende
3: Öffnung
3a: Düsenloch, das früher deaktiviert wird
3b: Düsenloch, das später deaktiviert wird
4: Kraftstoffkanal
5: Sackloch
6: Zylinder
7: linienförmige Dichtung des in der Ruheposition befindlichen Verschlusskörpers
α_gravity: spitzer Winkel zwischen einer Öffnung und der Erdbeschleunigung in der Einbauposition der Brennkraftmaschine
g: Erdbeschleunigung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19945813 A1 [0019]
EP 1404955 B1 [0021, 0022]
DE 10117519 A1 [0023, 0024, 0025]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (6), bei der jeder Zylinder (6) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder (6) mit einer Einspritzvorrichtung (1) ausgestattet ist, die über einen beweglichen Verschlusskörper verfügt, der zwangsgesteuert im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei in einem Gehäuse der Einspritzvorrichtung (1) vorgesehene Öffnungen (3, 3a, 3b) zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder (6) mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt, wobei der bewegliche Verschlusskörper in einer Ruheposition die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) vom Kraftstoffversorgungssystem trennt und damit versperrt und in einer Arbeitsposition die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Arbeitsposition, in der die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden sind, der Verschlusskörper in die Ruheposition überführt wird, wobei mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) der Einspritzvorrichtung (1) nacheinander zeitlich versetzt vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt werden, in der Art, dass mindestens eine Öffnung (3, 3a) bereits vollständig vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt ist, während mindestens eine andere Öffnung (3, 3b) noch mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Arbeitsposition, in der die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden sind, der Verschlusskörper in die Ruheposition überführt wird, wobei mindestens eine Öffnung (3, 3b), die in der Einbauposition der Brennkraftmaschine mit einer vorherrschenden Erdbeschleunigung einen größeren Winkel α_gravity bildet, später vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt wird als mindestens eine andere Öffnung (3, 3a), die in der Einbauposition der Brennkraftmaschine mit einer vorherrschenden Erdbeschleunigung einen weniger großen Winkel α_gravity bildet.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einem Zylinder (6), bei der jeder Zylinder (6) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder (6) mit einer Einspritzvorrichtung (1) ausgestattet ist, die über einen beweglichen Verschlusskörper verfügt, der zwangsgesteuert im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei in einem Gehäuse der Einspritzvorrichtung (1) vorgesehene Öffnungen (3, 3a, 3b) zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder (6) mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt, wobei der bewegliche Verschlusskörper in einer Ruheposition die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) vom Kraftstoffversorgungssystem trennt und damit versperrt und in einer Arbeitsposition die mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper in eine Arbeitsposition überführbar ist, in der mindestens eine Öffnung (3, 3a) bereits vollständig vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt ist, während mindestens eine andere Öffnung (3, 3b) noch mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Öffnungen (3, 3a, 3b) in der Einbauposition der Brennkraftmaschine mit einer vorherrschenden Erdbeschleunigung einen unterschiedlich großen Winkel α_gravity bilden.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) über mindestens fünf Öffnungen (3, 3a, 3b) verfügt.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) über mindestens sechs Öffnungen (3, 3a, 3b) verfügt.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) über mindestens sieben Öffnungen (3, 3a, 3b) verfügt.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Verschlusskörper translatorisch verschiebbar ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Verschlusskörper entlang einer bogenförmigen Kurve verschiebbar ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (3, 3a) auf einem äußeren Umfang des in der Ruheposition befindlichen Verschlusskörpers angeordnet ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (3, 3b) an einem freien Ende des in der Ruheposition befindlichen Verschlusskörpers angeordnet ist, wobei das freie Ende dem Zylinder zugewandt ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) eine Einspritzdüse (1a) ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (1a) mit einer in Richtung einer Längsachse in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei als Öffnungen (3, 3a, 3b) fungierende Düsenlöcher (3, 3a, 3b) zwecks Einbringen von Kraftstoff mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper an einem freien Ende der Düsennadel angeordnet ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (1a) mit einem kugelförmigen Verschlusskörper ausgestattet ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (1a) mit einem balligen Verschlusskörper ausgestattet ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Verschlusskörper symmetrisch ausgebildet ist.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Verschlusskörper unsymmetrisch ausgebildet ist.