DE102016225454A1

DE102016225454A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016225454A1
Application number: DE102016225454.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf Michael Koch; Reiner Otto Beckmann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: DE102016225454B4

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine beschrieben. Die Brennkraftmaschine besitzt mindestens einen Zylinder mit Brennraum, der zwei mit Einlassventilen versehene Einlasskanäle aufweist, denen jeweils ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlasskanal in Richtung des Einlassventils zugeordnet ist. Mit dem an der dem jeweiligen Zylinder zugewandten Oberseite des Einlasskanales nahe am Einlassventil angeordneten Injektor wird beim Kaltstart der Brennkraftmaschine pro Einspritzzyklus eine Vielzahl von Teileinspritzungen jeweils in Form eines wenig aufgefächerten Kraftstoffsprühkegels unter weitgehender Vermeidung eines Kontaktes mit der Einlasskanalwandung durchgeführt. Auf diese Weise lassen sich besonders gute Kaltstarteigenschaften bei Kraftstoffen mit hohem Ethanol-Anteil erzielen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung, die mindestens einen in einem Zylinder angeordneten Brennraum aufweist, der zwei mit Einlassventilen versehene Einlasskanäle umfasst, denen jeweils ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlasskanal in Richtung des Einlassventils zugeordnet ist.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt und beispielsweise in der DE 10 2013 222 498 A1 beschrieben. Als Zielsetzung ist in dieser Veröffentlichung erwähnt, dass eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung einer mit äußerer Gemischbildung arbeitenden Brennkraftmaschine angegeben werden soll, mit der die Emissionen reduziert werden können. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass die Kraftstoffinjektoren unterschiedlich gerichtete Austrittsöffnungen für den Kraftstoff aufweisen, die derart ausgestaltet sind, dass der Kraftstoff in Form von zwei symmetrischen, wenig aufgefächerten Kraftstoffspraykegeln in Richtung der Einlassventile abgespritzt wird.
Es gibt Otto-Kraftstoffe, die einen hohen Ethanol-Anteil aufweisen und in manchen Ländern zum Einsatz kommen, beispielsweise in Brasilien (E85 bis zu E100 mit 6 - 7 % H₂O). Diese Kraftstoffe haben im Vergleich zu herkömmlichem Benzin einen sehr hohen Siedepunkt, was gewisse Nachteile in Bezug auf die Kaltstartbarkeit mit sich bringt. So ist für die Startbarkeit bei niedrigen Umgebungs/Motortemperaturen bisher der Einsatz einer separaten Kraftstoffversorgung (separater Tank) mit Kraftstoff mit geringem Ethanol-Anteil oder eine Kraftstoffvorheizung (beheizte Kraftstoffverteilerleiste, beheiztes Einspritzventil) für den Kaltstart erforderlich geworden.
Eine derartige Kaltstarteinrichtung mittels separatem Tank ist jedoch wartungsaufwändig, unzuverlässig und die Kraftstoffzumessung ungenau. Zudem bringt das Kraftstoffvolumen im Motorraum (Crash-Zone) ein Gefahrenpotential mit sich. Eine Kaltstarteinrichtung mittels Kraftstoffvorheizsystem ist vergleichsweise teuer in der Herstellung, und der Motor-Startvorgang kann erst nach einer gewissen Zeit, die zum Vorheizen des Kraftstoffes benötigt wird, erfolgen.
Der Eintrag von unverbranntem Kraftstoff in das Motoröl ist im Kaltstart und im Warmlauf sehr hoch, was die Viskositätsstabilität des Motoröles und somit die mechanische Dauerhaltbarkeit der Motorbauteile negativ beeinflusst. Bei höheren Motoröl-Temperaturen wird durch den chemischen Siedepunkt von Ethanol schlagartig eine große Menge an Kraftstoff aus dem Motoröl verdampft, die der Verbrennung zugeführt wird und das Verbrennungsgemisch stark anfettet/überfettet.
Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der Kaltstartbarkeit von Brennkraftmaschinen mit äußerer Gemischbildung bei Betrieb mit Otto-Kraftstoffen mit hohem Ethanol-Anteil (beispielsweise bis zu E100 mit 6 - 7 % H₂O in Brasilien) zum Zwecke des Entfalls der sonst notwendigen zusätzlichen Kaltstarteinrichtung (separater Tank mit Benzin oder eine Form der Kraftstoffvorheizung).
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mit dem eine besonders effektive Kaltstartbarkeit der Brennkraftmaschine erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass mit dem an der dem jeweiligen Zylinder zugewandten Oberseite des Einlasskanales nahe am Einlassventil angeordneten Injektor beim Kaltstart der Brennkraftmaschine pro Einspritzzyklus (Ansaugzyklus des Zylinders) eine Vielzahl von Teileinspritzungen jeweils in Form eines wenig aufgefächerten Kraftstoffsprühkegels unter weitgehender Vermeidung eines Kontaktes mit der Einlasskanalwandung durchgeführt wird.
Von äußerer Gemischbildung beim Otto-Motor spricht man, wenn der Kraftstoff in den Einlasskanal (das Saugrohr) in Richtung auf das Einlassventil eingeführt (vorgelagert) wird und somit das Kraftstoff-Luftgemisch außerhalb des Brennraumes gebildet wird. Dies wird auch als Kanaleinspritzung oder Saugrohreinspritzung bezeichnet.
Bei der vorliegenden Erfindung ist jedem Einlasskanal der Brennkraftmaschine, bei der jeder Brennraum mit zwei Einlasskanälen versehen ist, eine Kraftstoffzumesseinrichtung (ein Kraftstoffinjektor bzw. ein Kraftstoffeinspritzventil) zugeordnet, so dass Kraftstoff in die einzelnen Einlasskanäle eingespritzt werden kann. Solche Systeme werden auch als MPI (Multi Point Injection) Twin Port Systeme oder Dual Fuel Injector Systeme bezeichnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Injektor benutzt, der an der dem jeweiligen Zylinder zugewandten Oberseite des entsprechenden Einlasskanales nahe am Einlassventil angeordnet ist. Mit einem derartigen Injektor wird der Kraftstoff so abgespritzt, dass sich ein wenig aufgefächerter Kraftstoffsprühkegel ergibt, der so ausgerichtet ist, dass ein Kontakt des Sprühkegels mit der Einlasskanalwandung weitgehend vermieden wird. Diese spezielle Art der Operation des Injektors wird mit einer Vorgehensweise kombiniert, bei der eine Vielzahl von Teileinspritzungen beim Kaltstart der Brennkraftmaschine pro Einspritzzyklus (Ansaugzyklus des Zylinders) erzeugt wird. Durch diese Merkmalskombination wird die Wandanlagerung von Kraftstoffpartikeln im Einlasskanal bzw. Saugkanal vermieden/reduziert und es wird eine besonders gute Zerstäubung des Kraftstoffs erreicht, so dass auf separate/zusätzliche Kaltstartsysteme bei Kraftstoffen mit hohem Ethanol-Anteil verzichtet werden kann.
Dieser Effekt wird durch die zusätzlich durchgeführte Aufteilung der vergleichsweise hohen Einspritzmengen und damit langen Einspritzzeiten beim Motor-Kaltstart in eine Vielzahl von Teileinspritzungen verstärkt. Insbesondere werden hierdurch auch tief eindringende Einspritzkegel vermieden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit die bisher üblichen Kaltstartsysteme für Ethanol-Betrieb (separate Kraftstoffversorgung mit Kraftstoff mit geringem Ethanol-Anteil oder Kraftstoffvorheizung) vermieden werden. Eine erforderliche Vorheizzeit kann eliminiert werden. Der Kraftstoffeintrag in das Motoröl beim Kaltstart und beim Motorwarmlauf kann reduziert werden. Ferner können die HC-Emissionen beim Kaltstart mit Kraftstoff mit hohem Ethanol-Anteil zur Erfüllung zukünftiger Emissionslimits, insbesondere in Brasilien, reduziert werden.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Injektoren sind vorzugsweise am Zylinderkopf und nicht am Einlasskanal (Saugrohr) angebracht, um auf diese Weise eine deutliche Reduzierung des Abstandes zum Einlassventil zu erreichen. Erfindungsgemäß wird der Kraftstoff in Form von engwinkligen Sprühkegeln vorzugsweise koaxial in Richtung der Einlassventile abgespritzt, wobei der Sprühkegel nur wenig aufgefächert ist.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren pro Einspritzzyklus bis zu fünfzehn, insbesondere bis zu zehn, Teileinspritzungen durchgeführt. Dies schließt aber nicht aus, dass erforderlichenfalls auch mehr als zehn Teileinspritzungen ausgeführt werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner vorzugsweise mit einem in Bezug auf die Einlassventilebene und die Längsachse des Injektors großen Abspritzwinkel operiert. Dieser Abspritzwinkel kann vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegen. Hierdurch wird ein Kontakt mit der Einlasskanalwandung weitgehend vermieden, um entsprechende Ablagerungen zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird zweckmäßigerweise so durchgeführt, dass die Injektoren der Brennkraftmaschine bezogen auf den gleichen anliegenden Kraftstoffdruck und eine gleiche Ansteuerdauerdauer identische Durchflussraten und eine identische Sprayauslegung für den Kraftstoff aufweisen.
Der Abstand zwischen der Austrittsöffnung eines Injektors und der Einlassventilebene wird vorzugsweise so gering wie möglich gehalten und liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 40 mm und 50 mm. Mit „Ebene des Einlassventils“ ist hierbei die Ebene des Schließkörpers des Ventils, beispielsweise die Tellerventilebene, gemeint.
Wie bereits erwähnt, findet ein Kraftstoffsprühkegel Verwendung, der besonders wenig aufgefächert ist. Hierfür ist beispielsweise ein Kraftstoffsprühkegel zwischen 8° und 12° geeignet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung, die mindestens einen in einem Zylinder angeordneten Brennraum aufweist, der zwei mit Einlassventilen versehene Einlasskanäle umfasst, denen jeweils ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlasskanal in Richtung des Einlassventils zugeordnet ist.
Diese Brennkraftmaschine ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor an der dem jeweiligen Zylinder zugewandten Oberseite des Einlasskanales nahe am Einlassventil angeordnet ist und dass der Injektor so gesteuert ist, dass er beim Kaltstart der Brennkraftmaschine pro Einspritzzyklus (Ansaugzyklus des Zylinders) eine Vielzahl von Teileinspritzungen jeweils in Form eines wenig aufgefächerten Kraftstoffsprühkegels unter weitgehender Vermeidung eines Kontaktes mit der Einlasskanalwandung durchführt.
Der Injektor ist ferner so positioniert, dass mit einem in Bezug auf die Einlassventilebene und die Längsachse des Injektors großen Abspritzwinkel operiert wird, der vorzugsweise in einem Bereich zwischen 45° und 90° liegt. Der Abstand zwischen der Austrittsöffnung eines Injektors und der Einlassventilebene, insbesondere der Ventiltellerebene eines Tellerventils, liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 40 mm und 50 mm, und der Kraftstoffsprühkegel hat vorzugsweise einen Kegelwinkel zwischen 8° und 12°.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf mit zwei Einlasskanälen und zugeordneten Injektoren; und
2 eine Schnittansicht der Anordnung und der 1.

In der Draufsicht der 1 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 1 dargestellt, von dem aus sich zwei Einlasskanäle 2, 3 in einen Brennraum des zugehörigen Zylinders erstrecken. Jeder Einlasskanal 2, 3 weist einen Injektor 4, 5 zum Einspritzen von Kraftstoff gegen ein im jeweiligen Einlasskanal angeordnetes Einlassventil 9 auf. Der entsprechende Sprühkegel des abgespritzten Kraftstoffes ist mit 6 bzw. 7 bezeichnet.
Die Schnittansicht der 2 zeigt, wie der Injektor 4 an der Oberseite des zugehörigen Einlasskanales 2 angeordnet ist. Mit der Kraftstoffaustrittsöffnung 10 wird ein Sprühkegel abgespritzt, der auf den Ventilteller des in einem Ventilsitz 8 angeordneten Einlassventils 9, das hier als Tellerventil ausgebildet ist, trifft.
Der Injektor 4 ist hierbei so positioniert, dass er möglichst nah am Einlassventil 9 angeordnet ist. Beispielsweise kann der entsprechende Abstand zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 10 und dem Ventilteller hierbei zwischen 40 mm und 50 mm liegen.
Der Injektor 4 ist ferner so an der Oberseite des Einlasskanales 3 angeordnet, dass er einen in Bezug auf die Einlassventilebene (Tellerventilebene) und die Längsachse des Injektors 4 relativ großen Abspritzwinkel bildet, der hier in einem Bereich zwischen 45° und 90° liegt. Der Injektor 4 gibt einen möglichst wenig aufgefächerten Kraftstoffsprühkegel ab, der beispielsweise einen Kegelwinkel zwischen 8° und 12° besitzt.
Bei einem Kaltstart der zugehörigen Brennkraftmaschine wird pro Einspritzzyklus (Ansaugzyklus des zugehörigen Zylinders) anstelle einer einzigen Einspritzung eine Vielzahl von Teileinspritzungen abgegeben, beispielsweise zehn Teileinspritzungen. Diese Teileinspritzungen haben jeweils die Form eines wenig aufgefächerten Kraftstoffsprühkegels, der so gerichtet ist, dass ein Kontakt mit der Einlasskanalwandung weitgehend vermieden wird. Auf diese Weise kann ein Kaltstart der Brennkraftmaschine ohne die vorstehend aufgezeigten Nachteile beim Stand der Technik durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2,3: Einlasskanäle
4,5: Injektor
6,7: Sprühkegel
8: Ventilsitz
9: Einlassventile
10: Kraftstoffaustrittsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013222498 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung, die mindestens einen in einem Zylinder angeordneten Brennraum aufweist, der zwei mit Einlassventilen versehene Einlasskanäle umfasst, denen jeweils ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlasskanal in Richtung des Einlassventiles zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem an der dem jeweiligen Zylinder zugewandten Oberseite des Einlasskanales (2, 3) nahe am Einlassventil (9) angeordneten Injektor (4, 5) beim Kaltstart der Brennkraftmaschine pro Einspritzzyklus (Ansaugzyklus des Zylinders) eine Vielzahl von Teileinspritzungen jeweils in Form eines wenig aufgefächerten Kraftstoffsprühkegels (6, 7) unter weitgehender Vermeidung eines Kontaktes mit der Einlasskanalwandung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Einspritzzyklus bis zu fünfzehn, insbesondere bis zu zehn Teileinspritzungen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem in Bezug auf die Einlassventilebene und die Längsachse des Injektors (4, 5) großen Abspritzwinkel operiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abspritzwinkel im Bereich zwischen 45° und 90° benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektoren (4, 5) der Brennkraftmaschine bezogen auf den gleichen anliegenden Kraftstoffdruck und die gleiche Ansteuerdauer identische Durchflussraten und Sprayauslegung für den Kraftstoff aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Austrittsöffnung (10) eines Injektors (4, 5) und einem Ventilteller eines Einlassventils (9) im Bereich zwischen 40 mm und 50 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffsprühkegel (6, 7) einen Kegelwinkel zwischen 8° und 12° besitzt.
Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung, die mindestens einen in einem Zylinder angeordneten Brennraum aufweist, der zwei mit Einlassventilen versehene Einlasskanäle umfasst, denen jeweils ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlasskanal in Richtung des Einlassventils zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (4, 5) an der dem jeweiligen Zylinder zugewandten Oberseite des Einlasskanales (2, 3) nahe am Einlassventil (9) angeordnet ist und so gesteuert ist, dass er beim Kaltstart der Brennkraftmaschine pro Einspritzzyklus (Ansaugzyklus des Zylinders) eine Vielzahl von Teileinspritzungen jeweils in Form eines wenig aufgefächerten Kraftstoffsprühkegels (6, 7) unter weitgehender Vermeidung eines Kontaktes mit der Einlasskanalwandung durchführt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (4, 5) einen in Bezug auf die Einlassventilebene und die Längsachse des Injektors (4, 5) großen Abspritzwinkel, insbesondere in einem Bereich zwischen 45° und 90°, aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Austrittsöffnung (10) eines Injektors (4, 5) und einem Ventilteller eines Einlassventils (9) im Bereich zwischen 40 mm und 50 mm liegt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (4, 5) einen Kraftstoffsprühkegel (6, 7) mit einem Kegelwinkel zwischen 8° und 12° abgibt.