DE102016212233A1

DE102016212233A1 - Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Kraftstoffhochdruckpumpe und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016212233A1
Application number: DE102016212233.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Klemens Grieser; Jan Mehring
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: CN107575326A; DE102016212233B4; US20180010543A1; US10774775B2

Abstract

Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der – jeder Zylinder zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, – zwecks Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders ein Kraftstoffversorgungssystem (1) vorgesehen ist, welches eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite umfasst, und – das Kraftstoffversorgungssystem (1) mit mindestens einer Kolbenhochdruckpumpe (3) ausgestattet ist, die einen zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt translatorisch verschiebbaren Kolben (3b) und eine im Volumen veränderbare Druckkammer (3a) umfasst, wobei eine Einlassseite (2a) und eine Auslassseite (2b) der Kolbenhochdruckpumpe (3) mit der Druckkammer (3a) verbindbar sind und der verschiebbare Kolben (3b) die Druckkammer (3a) mit veränderbarem Volumen mitbegrenzt, in der Art, dass ein Verschieben des Kolbens (3b) eine Veränderung des Volumens Vchamber der Druckkammer (3a) bedingt, wobei die Kolbenhochdruckpumpe (3) mit mindestens einem beweglichen Stellelement (4) ausgestattet ist, welches die Druckkammer (3a) mitbegrenzt, in der Art, dass ein Bewegen des Stellelements (4) eine Veränderung des Volumens Vchamber der Druckkammer (3a) bedingt, wodurch die Kolbenhochdruckpumpe (3) ein veränderbares Kompressionsverhältnis εpump erhält.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der

– jeder Zylinder zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist,
– zwecks Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders ein Kraftstoffversorgungssystem vorgesehen ist, welches eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite umfasst, und
– das Kraftstoffversorgungssystem mit mindestens einer Kolbenhochdruckpumpe ausgestattet ist, die einen zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt translatorisch verschiebbaren Kolben und eine im Volumen veränderbare Druckkammer umfasst, wobei eine Einlassseite und eine Auslassseite der Kolbenhochdruckpumpe mit der Druckkammer verbindbar sind und der verschiebbare Kolben die Druckkammer mit veränderbarem Volumen mitbegrenzt, in der Art, dass ein Verschieben des Kolbens eine Veränderung des Volumens V_chamber der Druckkammer bedingt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der 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 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. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung des Kraftstoffes direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zur Anwendung kommt.
Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs 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 Direkteinspritzung ist durch eine inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist, sondern regelmäßig sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist. 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.
Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
Die daraus resultierenden Anforderungen an die Gemischbildung betreffen nicht nur den direkteinspritzenden Ottomotor, sondern grundsätzlich jede direkteinspritzende Brennkraftmaschine und damit auch direkteinspritzende Dieselmotoren. Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist ganz allgemein eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine.
Die Direkteinspritzung erfordert ein Kraftstoffversorgungssystem, welches fähig ist, den für die Direkteinspritzung erforderlichen hohen Druck im einzuspritzenden Kraftstoff aufzubauen. Daher wird das Kraftstoffversorgungssystem einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik mit mindestens einer Hochdruckpumpe ausgestattet. Als Hochdruckpumpe wird regelmäßig eine Kolbenpumpe eingesetzt, bei der ein zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt translatorisch verschiebbarer Kolben während des Betriebs der Pumpe zwecks Kraftstoffförderung oszilliert, um Kraftstoff im Rahmen eines Saughubes von der Niederdruckseite anzusaugen und im Rahmen eines Förderhubs auf die Hochdruckseite zu pumpen, d. h. zu fördern. Zur Regelung des Kraftstoffvolumenstroms wird häufig eine Ventileinheit vorgesehen, über welche die Hochdruckpumpe mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffreservoir versorgt wird.
In Abhängigkeit von den momentan vorliegenden Bedingungen im Kraftstoff, insbesondere der Temperatur und des Drucks, kann ein mehr oder weniger großer Anteil des Kraftstoffes, insbesondere während des Saughubes, verdampfen, d. h. von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase übergehen. Dies führt regelmäßig zu einer Fehlfunktion der Hochdruckpumpe, da die Pumpe aufgrund des vorliegenden gasförmigen Kraftstoffes nicht den für die Direkteinspritzung erforderlichen hohen Druck aufbauen kann. Vielmehr komprimiert der – im Betrieb der Pumpe – oszillierende Koben die gasförmige Kraftstoffphase ohne die angeforderte Kraftstoffmenge zu fördern.
Die geförderte Kraftstoffmenge entspricht nicht der angeforderten Kraftstoffmenge und ist in der Regel weder vorherbestimmbar noch reproduzierbar. Im Einzelfall wird gar kein Kraftstoff mehr gefördert, d. h. die Kraftstoffförderung zu den Zylindern wird vollständig eingestellt.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der sich die aus dem Stand der Technik bekannte Problematik betreffend die Verdampfung von Kraftstoff im Rahmen der Kraftstoffförderung bewältigen lässt.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der

– jeder Zylinder zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist,
– zwecks Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders ein Kraftstoffversorgungssystem vorgesehen ist, welches eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite umfasst, und
– das Kraftstoffversorgungssystem mit mindestens einer Kolbenhochdruckpumpe ausgestattet ist, die einen zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt translatorisch verschiebbaren Kolben und eine im Volumen veränderbare Druckkammer umfasst, wobei eine Einlassseite und eine Auslassseite der Kolbenhochdruckpumpe mit der Druckkammer verbindbar sind und der verschiebbare Kolben die Druckkammer mit veränderbarem Volumen mitbegrenzt, in der Art, dass ein Verschieben des Kolbens eine Veränderung des Volumens V_chamber der Druckkammer bedingt, und die dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenhochdruckpumpe mit mindestens einem beweglichen Stellelement ausgestattet ist, welches die Druckkammer mitbegrenzt, in der Art, dass ein Bewegen des Stellelements eine Veränderung des Volumens V_chamber der Druckkammer bedingt, wodurch die Kolbenhochdruckpumpe ein veränderbares Kompressionsverhältnis ε_pump erhält.

Erfindungsgemäß verfügt die Kolbenhochdruckpumpe über ein variables Kompressionsverhältnis ε_pump. Realisiert wird dies unter Verwendung von mindestens einem beweglichen Stellelement, das die Druckkammer der Kolbenhochdruckpumpe mitbegrenzt. Durch Bewegen des Stellelements lässt sich das Kompressionsvolumen V_c verändern, d. h. variieren, wodurch sich ein variables Kompressionsverhältnis ε_pump realisieren lässt.
Das Kompressionsvolumen V_c ist das Volumen, welches die Druckkammer bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben aufweist. Das gegenständliche Merkmal, nach welchem das bewegliche Stellelement die Druckkammer mitbegrenzt, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dahingehend auszulegen, dass das bewegliche Stellelement die Druckkammer entweder unmittelbar begrenzt, d. h. selbst von Kraftstoff beaufschlagt ist, oder aber mittelbar begrenzt, d. h. nicht selbst von Kraftstoff beaufschlagt ist. Letzteres erfordert das Vorsehen von mindestens einem Zwischenelement, beispielsweise einer Membran, die zwischen dem Kraftstoff und dem Stellelement angeordnet ist.
Durch Verkleinern des Kompressionsvolumens V_c lässt sich das Kompressionsverhältnis ε_pump vergrößern und der mit der Pumpe maximal realisierbare Druck bedarfsgerecht erhöhen. Auf diese Weise kann einer Verdampfung von Kraftstoff entgegen gewirkt werden bzw. verdampfter in der Druckkammer befindlicher Kraftstoff wieder verflüssigt werden.
Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass eine Fehlfunktion der Hochdruckpumpe verhindert werden kann und die Pumpe den für die Direkteinspritzung erforderlichen hohen Druck aufzubauen fähig ist. Die geförderte Kraftstoffmenge entspricht folglich der angeforderten Kraftstoffmenge, ist vorherbestimmbar und reproduzierbar.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der sich die aus dem Stand der Technik bekannte Problematik betreffend die Verdampfung von Kraftstoff im Rahmen der Kraftstoffförderung bewältigen lässt.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist mit einer Aufladung ausgestattet, d. h. aufgeladen.
Die Aufladung der Brennkraftmaschine dient in erster Linie der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Regelmäßig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist, die zusätzlich Bauraum im Motorraum beansprucht und die Anordnung der Aggregate in nicht unerheblicher Weise beeinflusst. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Bei mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein spürbarer Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstroms im Rahmen einer sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt, verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch Einsatz mindestens eines Laders verbessert werden.
Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für das veränderbare Kompressionsverhältnis ε_pump gilt: ε_pump = (V_h + V_c)/V_c, wobei V_c das Volumen V_chamber der Druckkammer bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben bezeichnet und V_h das Hubvolumen, welches der Kolben zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt überstreicht.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen nur ein bewegliches Stellelement vorgesehen ist bzw. nur ein bewegliches Stellelement je Kolbenhochdruckpumpe.
Diese Ausführungsform konstatiert expressis verbis, dass vorliegend nur ein einzelnes Stellelement vorgesehen bzw. vorzusehen ist. Die Kosten werden dadurch reduziert und die Steuerung bzw. Verstelleinheit zur Veränderung des Kompressionsverhältnisses der Kolbenhochdruckpumpe vereinfacht, da nur ein einzelnes Stellelement bereitzustellen, zu montieren und zu steuern bzw. zu verstellen ist.
Das erfindungsgemäße Stellelement kann konstruktiv auf ganz unterschiedliche Weise ausgebildet werden.
Vorteilhaft sind beispielsweise Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine bewegliche Stellelement ein translatorisch verschiebbarer Stellkolben ist. Dabei ist der Stellkolben entlang einer Achse, beispielsweise seiner Längsachse, verschiebbar; vorzugsweise stufenlos. Der Stellkolben kann zylinderförmig, aber auch oval im Querschnitt ausgebildet sein.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Stellkolben in die Druckkammer hineinragt.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das mindestens eine bewegliche Stellelement eine verdrehbare Stellscheibe ist.
Die Stellscheibe kann einen sich in Umfangsrichtung verändernden Durchmesser aufweisen, wobei durch Drehen der Scheibe um eine Drehachse ein mehr oder weniger großer Durchmesser der Scheibe in die Druckkamer hineinragt, wodurch sich eine Variation des Kompressionsverhältnisses ergibt.
Die Stellscheibe kann auch eine sich in Umfangsrichtung verändernde Dicke aufweisen, wobei durch Drehen der Scheibe um die Drehachse eine mehr oder weniger dicke Scheibe in die Druckkammer hineinragt, wodurch sich wiederum eine Variation des Kompressionsverhältnisses ergibt.
Die Stellscheibe kann alternativ oder zusätzlich auf dem Umfang verteilt Durchbrüche bzw. Ausnehmungen verschiedener Größe aufweisen. Unterschiedlich große Durchbrüche bzw. Ausnehmungen, die in die Druckkamer hineinragen, können dem Einstellen unterschiedlicher Kompressionsverhältnisse dienen.
Vorteilhaft können ebenfalls Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das mindestens eine bewegliche Stellelement eine verdrehbare Stellwalze ist.
Das für die Stellescheibe Gesagte gilt analog für die Stellwalze, wobei eine Stellwalze von Hause aus eine größere Ausdehnung in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Drehachse, aufweist als eine Stellscheibe.
Die Stellwalze kann einen sich in Umfangsrichtung verändernden Durchmesser aufweisen, wobei durch Drehen der Walze um eine Drehachse ein mehr oder weniger großer Durchmesser der Walze in die Druckkamer hineinragt, wodurch sich eine Variation des Kompressionsverhältnisses ergibt.
Die Stellwalze kann auch eine sich in Umfangsrichtung verändernde Dicke, d. h. Ausdehnung in Längsrichtung, aufweisen, wobei durch Drehen der Walze um die Drehachse eine mehr oder weniger dicke Walze in die Druckkammer hineinragt, wodurch sich wiederum eine Variation des Kompressionsverhältnisses ergibt.
Die Stellwalze kann alternativ oder zusätzlich auf dem Umfang verteilt Durchbrüche bzw. Ausnehmungen verschiedener Größe aufweisen. Unterschiedlich große Durchbrüche bzw. Ausnehmungen, die in die Druckkamer hineinragen, können dem Einstellen unterschiedlicher Kompressionsverhältnisse dienen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen auf der Einlassseite ein Rückschlagventil vorgesehen ist.
Ein auf der Einlassseite angeordnetes Rückschlagventil lässt zwar ein Ansaugen von Kraftstoff im Rahmen eines Saughubes der Pumpe zu, verhindert aber, dass während des Förderhubs der Pumpe Kraftstoff auf die Einlassseite gefördert bzw. zurückgefördert wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen auf der Auslassseite ein Rückschlagventil vorgesehen ist.
Ein auf der Auslassseite angeordnetes Rückschlagventil verhindert ein Rückströmen von bereits auf die Auslassseite gefördertem Kraftstoff zurück in die Hochdruckpumpe; insbesondere während des Saughubes der Pumpe.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Niederdruckseite mit einem Behältnis zur Bevorratung von Kraftstoff zumindest verbindbar ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der translatorisch verschiebbare Kolben nicht das mindestens eine bewegliche Stellelement bzw. ein bewegliches Stellelement ist. Diese Ausführungsform schließt ausdrücklich Varianten aus, bei denen der translatorisch verschiebbare Kolben mit einem veränderbaren Kurbeltrieb ausgestattet ist, beispielsweise mit einer in der Länge veränderbaren Pleuelstange bzw. Kolbenstange, mit der grundsätzlich auch das Kompressionsverhältnis der Pumpe verändert werden könnte, ähnlich einer Brennkraftmaschine, bei der das Kompressionsverhältnis eines Zylinders über die Länge der Pleuelstange verändert werden kann.
Die Verstelleinrichtung für das mindestens eine bewegliche Stellelement kann elektromagnetisch, mechanisch, hydraulisch oder auch pneumatisch betrieben sein.
Die Verstelleinrichtung leitet von außen eine Kraft in das Stellelement ein, um das Stellelement zu bewegen, beispielsweise um einen Stellkolben entlang einer Verschiebeachse zu verschieben bzw. eine Stellscheibe oder Stellwalze um eine Drehachse zu verdrehen.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, bei der das mindestens eine bewegliche Stellelement mindestens ein translatorisch verschiebbarer Stellkolben ist, der in die Druckkammer hineinragt, wird gelöst mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Stellkolben verschoben wird, um das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe zu verändern.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen mindestens ein Stellkolben in die Druckkammer hinein verschoben wird, um das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe zu vergrößern.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Verfahrensvarianten, bei denen mindestens ein Stellkolben aus der Druckkammer heraus gezogen wird, um das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe zu verkleinern.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen mindestens ein Stellkolben in die Druckkammer hinein verschoben wird, um einer Verdampfung von Kraftstoff entgegen zu wirken. Vorliegend wird das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe vorsorglich vergrößert. Das erhöhte Kompressionsverhältnis sorgt für ein höheres Druckniveau, bei dem die Gefahr einer Verdampfung von Kraftstoff geringer ist.
Vorteilhaft können auch Verfahrensvarianten sein, bei denen ausgehend von zumindest teilweise verdampftem Kraftstoff in der Druckkammer mindestens ein Stellkolben in die Druckkammer hinein verschoben wird, um den verdampften Kraftstoff zu verflüssigen. Vorliegend wird das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe erhöht, um bereits verdampften Kraftstoff wieder zu verflüssigen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a und 1b näher erläutert. Hierbei zeigt:
1a schematisch als Prinzipskizze ein Fragment des Kraftstoffversorgungssystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit der Kolbenhochdruckpumpe und einem höheren Kompressionsverhältnis ε_pump,high, und
1b schematisch als Prinzipskizze das Kraftstoffversorgungssystem der in 1a dargestellten Ausführungsform mit der Kolbenhochdruckpumpe in der ersten und einem niedrigeren Kompressionsverhältnis ε_pump,low < ε_pump,high.
1a zeigt schematisch als Prinzipskizze ein Fragment des Kraftstoffversorgungssystems 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit der Kolbenhochdruckpumpe 3 und einem höheren Kompressionsverhältnis ε_pump,high.
Das dargestellte Kraftstoffversorgungssystem 1 dient der Kraftstoffversorgung der Zylinder der Brennkraftmaschine. Zwecks Kraftstoffförderung ist eine Kolbenhochdruckpumpe 3 vorgesehen. Die Kolbenhochdruckpumpe 3 verfügt über eine im Volumen veränderbare Druckkammer 3a, die als Arbeitsraum dient, und einen Kolben 3b, der die Druckkammer 3a mitbegrenzt und zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt translatorisch verschiebbar ist. Die Druckkammer 3a ist mit einer Einlassseite 2a und einer Auslassseite 2b der Kolbenhochdruckpumpe 3 verbindbar.
Ein Verschieben des Kolbens 3b bedingt eine Veränderung des Volumens V_chamber der Druckkammer 3a. Während des Betriebs der Pumpe 3 oszilliert der translatorisch verschiebbare Kolben 3b und fördert Kraftstoff. Dabei wird im Rahmen eines Saughubes Kraftstoff von der Einlassseite 2a angesaugt und im Rahmen eines Förderhubs auf die Auslassseite 2b gepumpt. Auf der Einlassseite 2a ist ein Rückschlagventil 5a angeordnet, um eine Kraftstoffförderung auf die Einlassseite 2a während des Förderhubs der Pumpe 3 zu verhindern. Auf der Auslassseite 2b ist ein Rückschlagventil 5b angeordnet, um ein Rückströmen von bereits auf die Auslassseite 2b gefördertem Kraftstoff zurück in die Pumpe 3 zu verhindern.
Die Kolbenhochdruckpumpe 3 ist mit einem beweglichen Stellelement 4 ausgestattet, welches die Druckkammer 3a ebenfalls mitbegrenzt. Bei der in 1a dargestellten Ausführungsform dient als Stellelement 4 ein translatorisch verschiebbarer Stellkolben 4a, der in die Druckkammer 3a hineinragt.
Ein Verschieben des Stellkolbens 4a bedingt eine Veränderung des Volumens V_chamber der Druckkammer 3a und ermöglicht auf diese Weise eine Einstellung bzw. eine Veränderung des Kompressionsverhältnisses ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe 3.
Bei der in 1a dargestellten Einstellung ragt der Stellkolben 4a in die Druckkammer 3a hinein, d. h. der Stellkolben 4a wurde in die Druckkammer 3a hinein verschoben, so dass die Kolbenhochdruckpumpe 3 ein hohes bzw. höheres Kompressionsverhältnis ε_pump,high aufweist.
1b zeigt die in 1a dargestellte Kolbenhochdruckpumpe 3 mit einem niedrigeren Kompressionsverhältnis ε_pump,low < ε_pump,high. Der Stellkolben 4a wurde aus der Druckkammer 3a heraus gezogen, um das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe 3 zu verkleinern. In 1b ragt der Stellkolben 4a nicht mehr in die Druckkammer 3a hinein.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffversorgungssystem
2a: Einlassseite der Kolbenhochdruckpumpe
2b: Auslassseite der Kolbenhochdruckpumpe
3: Kolbenhochdruckpumpe
3a: Druckkammer
3b: translatorisch verschiebbarer Kolben
4: bewegliches Stellelement
4a: translatorisch verschiebbarer Stellkolben
5a: Rückschlagventil auf der Einlassseite
5b: Rückschlagventil auf der Auslassseite
V_chamber: Volumen der Druckkammer
V_c: Kompressionsvolumen, Volumen der Druckkammer bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben
V_h: Hubvolumen des Kolbens der Kolbenhochdruckpumpe
ε_pump,high: hohes Kompressionsverhältnis
ε_pump,low: niedriges Kompressionsverhältnis
ε_pump: veränderbares Kompressionsverhältnis der Kolbenhochdruckpumpe

Claims

Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der – jeder Zylinder zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, – zwecks Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders ein Kraftstoffversorgungssystem (1) vorgesehen ist, welches eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite umfasst, und – das Kraftstoffversorgungssystem (1) mit mindestens einer Kolbenhochdruckpumpe (3) ausgestattet ist, die einen zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt translatorisch verschiebbaren Kolben (3b) und eine im Volumen veränderbare Druckkammer (3a) umfasst, wobei eine Einlassseite (2a) und eine Auslassseite (2b) der Kolbenhochdruckpumpe (3) mit der Druckkammer (3a) verbindbar sind und der verschiebbare Kolben (3b) die Druckkammer (3a) mit veränderbarem Volumen mitbegrenzt, in der Art, dass ein Verschieben des Kolbens (3b) eine Veränderung des Volumens V_chamber der Druckkammer (3a) bedingt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenhochdruckpumpe (3) mit mindestens einem beweglichen Stellelement (4) ausgestattet ist, welches die Druckkammer (3a) mitbegrenzt, in der Art, dass ein Bewegen des Stellelements (4) eine Veränderung des Volumens V_chamber der Druckkammer (3a) bedingt, wodurch die Kolbenhochdruckpumpe (3) ein veränderbares Kompressionsverhältnis ε_pump erhält.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das veränderbare Kompressionsverhältnis ε_pump gilt: ε_pump = (V_h + V_c)/V_c, wobei V_c das Volumen V_chamber der Druckkammer (3a) bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben (3b) bezeichnet und V_h das Hubvolumen, welches der Kolben (3b) zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt überstreicht.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein bewegliches Stellelement (4) vorgesehen ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine bewegliche Stellelement (4) ein translatorisch verschiebbarer Stellkolben (4a) ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (4a) in die Druckkammer (3a) hineinragt.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine bewegliche Stellelement (4) eine verdrehbare Stellscheibe ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine bewegliche Stellelement (4) eine verdrehbare Stellwalze ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einlassseite (2a) ein Rückschlagventil (5a) vorgesehen ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Auslassseite (2b) ein Rückschlagventil (5b) vorgesehen ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der translatorisch verschiebbare Kolben (3b) nicht das mindestens eine bewegliche Stellelement (4) ist.
Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das mindestens eine bewegliche Stellelement (4) mindestens ein translatorisch verschiebbarer Stellkolben (4a) ist, der in die Druckkammer (3a) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellkolben (4a) verschoben wird, um das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe (3) zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellkolben (4a) in die Druckkammer (3a) hinein verschoben wird, um das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe (3) zu vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellkolben (4a) aus der Druckkammer (3a) heraus gezogen wird, um das Kompressionsverhältnis ε_pump der Kolbenhochdruckpumpe (3) zu verkleinern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellkolben (4a) in die Druckkammer (3a) hinein verschoben wird, um einer Verdampfung von Kraftstoff entgegen zu wirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von zumindest teilweise verdampftem Kraftstoff in der Druckkammer (3a) mindestens ein Stellkolben (4a) in die Druckkammer (3a) hinein verschoben wird, um den verdampften Kraftstoff zu verflüssigen.