DE102018209096A1

DE102018209096A1 - Injektor und Brennkraftmaschine mit adaptivem Einspritzverhalten

Info

Publication number: DE102018209096A1
Application number: DE102018209096.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hettinger; Christian Disch; Gerhard Suenderhauf; Bernd Siewert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2019-12-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein einteiliges Schließelement (2), einen Ventilkörper (3), eine erste Spritzlochanordnung (101) im Ventilkörper (3) mit wenigstens einem ersten Spritzloch (31), eine zweite Spritzlochanordnung (102) im Ventilkörper (3) mit wenigstens einem zweiten Spritzloch (32), wobei die erste Spritzlochanordnung (101) von der zweiten Spritzlochanordnung (102) in Axialrichtung (X-X) des Injektors um einen vorbestimmten Abstand (A) versetzt ist, einen ersten Dichtsitz (4) zwischen dem Schließelement (2) und dem Ventilkörper (3), und einen zweiten Dichtsitz (5) zwischen dem Schließelement (2) und dem Ventilkörper (3), welcher in Axialrichtung (X-X) des Injektors zwischen der ersten und zweiten Spritzlochanordnung (101, 102) angeordnet ist, wobei der zweite Dichtsitz (5) in Axialrichtung (X-X) eine zylindrische Dichtfläche mit einer vorbestimmten Länge (L) aufweist, um im Öffnungsfall des Injektors eine gestufte Einspritzung des Kraftstoffs zu erreichen. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum sowie eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Injektor. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Injektors sowie verschiedene Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Injektoren für Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei Otto-Brennkraftmaschinen, bei denen im Vergleich zu Diesel-Brennkraftmaschinen geringere Einspritzdrücke vorliegen, sind Injektoren mit mehreren Einspritzlöchern bekannt, welche üblicherweise in einer Ebene senkrecht zu einer Mittelachse des Injektors liegen. Hierbei können Einspritzwinkel der einzelnen Spritzlöcher variiert werden, um unterschiedliche Spraybilder zu erzeugen. Aus der WO 2006/040283 A1 , der DE 10 2015 223 437 oder der DE 10 2010 063 355 A1 ist jeweils ein Injektor für eine Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Spritzlöcher in zwei Spritzlochreihen übereinander angeordnet sind. Hierbei ist zwischen einer Nadel und einem Ventilkörper nur genau ein Dichtsitz vorhanden. Beim Öffnen der Nadel vom Dichtsitz wird Kraftstoff dabei über die beiden Spritzlochreihen eingespritzt. Hierbei erfolgt immer eine paarweise Einspritzung von Kraftstoff durch die Übereinander-Anordnung der Spritzlöcher der beiden Spritzlochreihen. Durch unterschiedliche Winkel der Spritzlöcher der beiden Spritzlochreihen kann eine höhere Eindringtiefe der Kraftstoffspraystrahlen in den hochverdichteten Brennraum der Diesel-Brennkraftmaschine erreicht werden. Hierdurch können Vorteile bei der Dieselverbrennung erhalten werden.
Für konventionelle ottomotorische Brennverfahren ist eine erhöhte Eindringtiefe aufgrund der vergleichsweise geringeren Gegendrücke während der Saughubeinspritzung nicht zielführend. In der Anwendung für Ottomotoren ist es das Ziel, durch einen entsprechenden Sprayaufbruch und dessen Interaktion mit der Ladungsbewegung, Wandkontakt von eingespritztem Kraftstoff zu vermeiden und eine möglichst homogene Gemischzusammensetzung zu erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Injektor einer Brennkraftmaschine zum Einspritzen von Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Brennverfahren der Brennkraftmaschine signifikant verbessert werden kann, wobei insbesondere weniger gasförmige Rohemissionen (HC-, CO- und NOx-Rohemissionen) als auch Partikelrohemissionen (Ruß) erreicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor ein einteiliges Schließelement und einen Ventilkörper umfasst, in welchem Spritzlöcher ausgebildet sind. Hierbei ist eine erste Spritzlochanordnung im Ventilkörper mit wenigstens einem ersten Spritzloch vorgesehen und eine zweite Spritzlochanordnung im Ventilkörper mit wenigstens einem zweiten Spritzloch vorgesehen. Die spezielle Anordnung der Spritzlöcher ist dabei derart, dass die erste Spritzlochanordnung von der zweiten Spritzlochanordnung in Axialrichtung des Injektors um einen Abstand A versetzt ist. Weiterhin ist zwischen dem einteiligen Schließelement und dem Ventilkörper ein erster Dichtsitz und ein zweiter Dichtsitz ausgebildet. Dabei ist der zweite Dichtsitz in Axialrichtung des Injektors zwischen der ersten Spritzlochanordnung und der zweiten Spritzlochanordnung angeordnet. Der zweite Dichtsitz weist dabei in Axialrichtung des Injektors eine zylindrische Dichtfläche mit einer vorbestimmten Länge auf, um im Öffnungsfall des Ventils eine gestufte Einspritzung des Kraftstoffs zu erreichen. Durch die zylindrische Dichtfläche am zweiten Dichtsitz wird beim Öffnen des Schließelements zuerst die erste Spritzlochanordnung freigegeben, so dass Kraftstoff über die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung in einen Brennraum eingespritzt werden kann und nach Zurücklegen der vorbestimmten Länge am zweiten Dichtsitz durch das sich öffnende Schließelement werden die Spritzlöcher der zweiten Spritzlochanordnung freigegeben und wird über die Spritzlöcher der zweiten Spritzlochanordnung in den Brennraum eingespritzt. Somit kann eine gestufte Einspritzung erreicht werden, wobei alle Spritzlöcher vorzugsweise erst nach einem vordefinierten Hub, insbesondere einem Vollhub, des einteiligen Schließelements freigegeben sind. Hierbei sei angemerkt, dass im geschlossenen Zustand der erste Dichtsitz vollständig abdichtet. Im Öffnungsfall ist der zweite Dichtsitz aufgrund der zylindrischen Führung nicht ganz dicht. Da mit immer weitergehendem Öffnungshub eine axiale Länge des zweiten Dichtsitzes immer kleiner wird, wirkt der zweite Dichtsitz wie eine variable Drossel. Somit kann der zweite Dichtsitz auch als variabler Drosselsitz bezeichnet werden. Im Öffnungsfall ist eine Leckage über den zweiten Dichtsitz mit zunehmendem Öffnungsweg immer größer, bis dann keine radiale Überdeckung zwischen dem Ventilkörper und der zylindrischen Führung des zweiten Dichtsitzes mehr vorhanden ist und der zweite Dichtsitz vollständig öffnet.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise weist die erste Spritzlochanordnung weniger Spritzlöcher als die zweite Spritzlochanordnung auf. Hierdurch ist es möglich, dass durch die erste Spritzlochanordnung vorzugsweise eine Bereitstellung eines zündfähigen Gemisches in einem begrenzten Bereich des Brennraums, vorzugsweise benachbart zu einer Zündeinrichtung, insbesondere Zündkerze, erreicht wird.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Anzahl der Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung gleich einer Anzahl der Spritzlöcher der zweiten Spritzlochanordnung.
Besonders bevorzugt weist die erste Spritzlochanordnung genau zwei Spritzlöcher auf und die zweite Spritzlochanordnung weist mehr als zwei Spritzlöcher auf, besonders bevorzugt fünf Spritzlöcher.
Ein besonders schadstoffarmes Brennverfahren kann erreicht werden, wenn eine Spritzrichtung der Spritzlöcher der ersten und zweiten Spritzlochanordnung derart ist, dass jede Spritzrichtung der Spritzlöcher bei einer Draufsicht in Axialrichtung des Injektors auf das Spraybild unterschiedlich ist. D.h., ausgehend von einer Mittellinie des Injektors ist die jeweilige Hauptrichtung der gebildeten Spraykegel der Spritzlöcher unterschiedlich, so dass sich vorzugsweise keinerlei Überdeckung der Spraykegel aller Spritzlöcher ergibt. Weiter bevorzugt sind alle Spritzlöcher der ersten und zweiten Spritzlochanordnung in einem spitzen Winkel zur Mittelachse des Injektors gerichtet. Besonders bevorzugt ist der spitze Winkel von paarweisen Spritzlöchern dabei gleich.
Weiter bevorzugt sind die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung derart angeordnet, dass eine Ausbildung eines Spraykegels durch die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung in Richtung zu einer Zündkerze und/oder benachbart zu einer Zündkerze gerichtet ist. Besonders bevorzugt sind die Spraykegel der Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung in einem Winkel von 90° vorhanden.
Um eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen, sind vorzugsweise die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung in einer ersten Ebene E1 senkrecht zu einer Mittelachse des Injektors angeordnet und die zweiten Spritzlöcher der zweiten Spritzlochanordnung in einer zweiten Ebene E2 senkrecht zur Mittelachse des Injektors angeordnet. Die erste Ebene ist dabei von der zweiten Ebene um den Abstand A beabstandet.
Die erste Ebene und die zweite Ebene sind dabei derart definiert, dass alle Mittelpunkte der ersten Spritzlöcher am Eintrittsort der ersten Spritzlöcher in der ersten Ebene liegen und alle Mittelpunkte der zweiten Spritzlöcher am Eintrittsort der zweiten Spritzlöcher in der zweiten Ebene liegen.
Vorzugsweise ist der erste Dichtsitz ein sich verjüngender Dichtsitz, insbesondere ein konischer Dichtsitz.
Weiter bevorzugt ist der Injektor ein nach innen öffnender Injektor. D.h., das Schließelement des Injektors wird in Richtung des Injektorinneren zurückgezogen, um die Spritzlöcher für die Einspritzung von Kraftstoff freizugeben.
Der Injektor ist weiter bevorzugt eingerichtet, um bei einer Otto-Brennkraftmaschine verwendet zu werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine Otto-Brennkraftmaschine. Bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine eine Zündeinrichtung, insbesondere eine Zündkerze. Weiter bevorzugt sind die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung derart angeordnet, dass die Spraykegel durch die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung in Richtung zur Zündkerze oder direkt auf die Zündkerze gerichtet sind.
Vorzugsweise ist der Injektor und/oder die Zündkerze zentral zwischen Einlass- und Auslassventilen im Zylinderkopf angeordnet. Bevorzugt ist eine Mittelachse des Injektors parallel, vorzugsweise identisch, mit einer Mittelachse eines Zylinders der Brennkraftmaschine.
Besonders bevorzugt weist die Zündkerze dabei eine Vorkammer auf und wenigstens ein Spraykegel spritzt in die Vorkammer der Zündkerze ein.
Vorzugsweise umfasst die Brennkraftmaschine ferner eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, ein Magerbrennverfahren mit einem Luftverhältnis A ≥ 1, vorzugsweise A ≥ 2 auszuführen. Das Magerbrennverfahren wird vorzugsweise mit einer Saughubeinspritzung und einer Kompressionshubeinspritzung ausgeführt, wobei die Kompressionshubeinspritzung bevorzugt nur über die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung einspritzt, um ein zündfähiges Gemisch an der Zündkerze bereitzustellen.
Besonders bevorzugt erfolgt eine Mehrfacheinspritzung im Saughub und/oder im Kompressionshub.
Weiter bevorzugt sind die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung derart angeordnet, dass bei der Einspritzung hierdurch eine Tumbelströmung erzeugbar ist. Hierbei ist von Vorteil, dass die Tumbelströmung nicht durch die Einspritzung der noch geschlossenen Spritzlöcher der zweiten Spritzlochanordnung gestört wird und sich somit optimal im Brennraum ausbilden kann.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, einen Kat-Heizbetrieb, d.h., einen Heizbetrieb zum Aufheizen des Katalysators, auszuführen. Bevorzugt erfolgt dabei eine erste Einspritzung M1 über die Spritzlöcher der ersten und zweiten Spritzlochanordnungen nach einem Ladungswechsel-Oberen-Totpunkt (LOT) und eine zweite Einspritzung M2 ausschließlich über die Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung nach einem Zünd-Oberen-Totpunkt (ZOT). Vorzugsweise erfolgt eine Zündung im Kat-Heizbetrieb in einem Kurbelwinkel kurz nach dem ZOT (Zünd-Oberen-Totpunkt). Hierdurch können sowohl Partikelrohemissionen als auch Stickoxidrohemissionen signifikant reduziert werden. Vorzugsweise ist im Kat-Heizbetrieb ein leicht überstöchiometrisches Luftverhältnis von z.B. A = 1,15, vorgesehen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Injektors in einer Otto-Brennkraftmaschine. Vorzugsweise weist die Otto-Brennkraftmaschine dabei Einspritzdrücke von 200 bis 2000 × 10⁵ Pa, insbesondere 300 bis 350 × 10⁵ Pa, auf.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Detailvergrößerung,
2 eine schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine mit dem Injektor von 1,
3 eine schematische Teilschnittansicht der Brennkraftmaschine von 2, wobei ausschließlich eine erste Spritzlochanordnung freigegeben ist,
4 eine Draufsicht auf das Spraybild des Injektors von 3 bei ausschließlich geöffneter erster Spritzlochanordnung,
5 eine Teilschnittansicht des Injektors von 2 mit geöffneter erster und zweiter Spritzlochanordnung,
6 eine Draufsicht des Spraybilds des Injektors von 5 bei geöffneter erster und zweiter Spritzlochanordnung,
7 ein schematisches Diagramm, welches ein Magerbrennverfahren der Brennkraftmaschine von 2 mit der eingespritzten Kraftstoffmenge M über einem Kurbelwinkel K zeigt,
8 ein schematisches Diagramm, welches eine mehrfache Unterstützung einer Tumbelströmung T der Brennkraftmaschine von 2 mit der eingespritzten Kraftstoffmenge M über einem Kurbelwinkel K zeigt,
9 ein schematisches Diagramm, welches ein Kat-Heizverfahren der Brennkraftmaschine von 2 mit der eingespritzten Kraftstoffmenge M über einem Kurbelwinkel K zeigt,
10 eine schematische Teilschnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
11 ein schematisches Diagramm, welches ein Magerbrennverfahren mit Zündkerne mit Vorkammer der Brennkraftmaschine von 10 mit der eingespritzten Kraftstoffmenge M über einem Kurbelwinkel K zeigt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Wie aus 1 und der Detailvergrößerung von 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein einteiliges Schließelement 2, welches in Form einer Nadel vorgesehen ist.
Der Injektor 1 umfasst ferner einen Ventilkörper 3, wobei zwischen dem einteiligen Schließelement 2 und dem Ventilkörper 3 ein erster Dichtsitz 4 und ein zweiter Dichtsitz 5 ausgebildet ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind der erste und zweite Dichtsitz 4, 5 in Axialrichtung X-X des Injektors um einen Abstand A entfernt positioniert.
Der erste Dichtsitz 4 ist ein konischer Dichtsitz zwischen Schließelement und Ventilkörper und der zweite Dichtsitz 5 ist ein zylindrischer Dichtsitz zwischen Schließelement und Ventilkörper.
Der Injektor 1 umfasst ferner eine erste Spritzlochanordnung 101 mit ersten Spritzlöchern 31 und eine zweite Spritzlochanordnung 102 mit zweiten Spritzlöchern 32. In den 1 und 2 sind schematisch jeweils nur ein Spritzloch der beiden Spritzlochanordnungen 101, 102 eingezeichnet. Wie im Detail jedoch aus den 3 und 4 sowie 5 und 6 ersichtlich ist, umfasst die erste Spritzlochanordnung 101 dieses Ausführungsbeispiels zwei Spritzlöcher, wobei eine in 4 gezeigte erste Spraykeule 11 und eine zweite Spraykeule 12 erzeugt werden. Durch die Spritzlöcher der zweiten Spritzlochanordnung 102 werden, wie in den 5 und 6 dargestellt, fünf weitere Spraykeulen 21, 22, 23, 24, 25 erzeugt.
Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Spritzlöcher 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 in einer ersten Ebene E1 angeordnet. Die Spritzlöcher 32 der zweiten Spritzlochanordnung 102 sind in einer zweiten Ebene E2 angeordnet. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die erste Spritzlochanordnung 101 dabei um den Abstand A von der zweiten Spritzlochanordnung 102 in Richtung der Mittelachse X-X des Injektors beabstandet. Die erste und zweite Ebene E1 und E2 liegen dabei jeweils in Mittelpunkten der ersten bzw. zweiten Spritzlöcher an einer Innenseite des Ventilkörpers 3.
Wie weiter aus den 4 und 6 ersichtlich ist, sind die Spritzrichtungen der Spritzlöcher der ersten und zweiten Spritzlochanordnung 101 und 102 in Umfangsrichtung jeweils verschieden. Hierdurch ergibt sich keine Überlappung der Spraykeulen 11, 12 der ersten Spritzlochanordnung sowie der Spraykeulen 21, 22, 23, 24, 25 der zweiten Spritzlochanordnung 102 bei Draufsicht auf das Spraybild.
Wie weiter aus der Vergrößerung von 1 ersichtlich ist, weist der zweite Dichtsitz 5 in Richtung der Mittelachse X-X eine axiale Länge L auf. Weiterhin ist der zweite Dichtsitz 5 als zylindrische Dichtfläche in Richtung der Mittelachse X-X vorgesehen, so dass bei einem Öffnen des Schließelements 2 das Schließelement sofort vom ersten Dichtsitz 4, welcher als sich verjüngender, insbesondere konischer Dichtsitz ausgebildet ist, abhebt, jedoch zuerst noch am zylindrischen zweiten Dichtsitz 5 verbleibt und dort abdichtet. Hierbei wirkt der zylindrische zweite Dichtsitz 5 als zylindrische Führung für das einteilige Schließelement 2. Dabei ist der zweite Dichtsitz 5 nicht vollständig dicht, sondern eine gewisse Leckage tritt am zylindrischen Innenumfang des Ventilskörpers 3 auf, so dass der zweite Dichtsitz 5 eine Art variabler Drosselsitz ist.
Hierdurch wird der Strömungsweg für den Kraftstoff zuerst nur zur ersten Spritzlochanordnung 101 mit den ersten Spritzlöchern 31 freigegeben. Erst nach Zurücklegen eines vorbestimmten Weges des Schließelements wird der zweite Dichtsitz 5 vollständig freigegeben und Kraftstoff strömt auch durch die Spritzlöcher 32 der zweiten Spritzlochanordnung 102. Erst dann ergibt sich das in 6 gezeigte sternförmige Spraybild mit allen Spraykeulen der ersten und zweiten Spritzlochanordnung. Solange noch eine Abdichtung am zweiten Dichtsitz 5 erfolgt, ergibt sich das in 4 gezeigte Spraybild nur mit der ersten und zweiten Spraykeule 11, 12, da nur Kraftstoff durch die Spritzlöcher 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 in den Brennraum 9 eingespritzt wird. Eine Leckage über dem zweiten Dichtsitz kann vernachlässigt werden. Die Freigabe der zweiten Spritzlöcher 32 kann dabei über Wahl einer axialen Länge der Spitze des zum Dichtsitz 5 komplementären zylindrischen Endbereichs des Schließelements 2 eingestellt werden.
Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Injektor 1 an der Brennkraftmaschine 100 direkt an einen Brennraum 9 angeordnet. Ferner sind schematisch ein Kolben 7 und ein Zylinder 8 sowie ein Einlassventil 15 und ein Auslassventil 16 dargestellt.
Hierbei weist der Injektor 1 eine zentrale Einbaulage auf, bei der die Mittelachse X-X des Injektors parallel, bevorzugt auch identisch, mit einer Mittelachse des Zylinders ist.
Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Brennkraftmaschine 100 eine Zündeinrichtung in Form einer Zündkerze 6. Die Zündkerze 6 ist benachbart zum Injektor 1 angeordnet. Wie aus 2 und insbesondere auch aus 4 ersichtlich ist, ist die Zündkerze 6 dabei derart angeordnet, dass bei einer Einspritzung durch die Spritzlöcher 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 die beiden erzeugten Spraykeulen 11, 12 in Richtung zur Zündkerze gerichtet sind. Wie weiter aus 4 ersichtlich ist, ist dabei ein Winkel α, in welchem die Spraykeulen sich aufweiten, ca. 90°. Dabei ist die Zündkerze 6 genau zwischen den beiden Spraykeulen 11, 12 angeordnet. Hierdurch wird in der unmittelbaren Umgebung der Zündkerze 6 ein zündfähiges Gemisch erreicht, welches durch die Zündkerze 6 entflammbar ist, bzw. ein Gemisch, das die Zündmechanismen unterstützt.
In 2 wird ein weiterer Vorteil der Erfindung deutlich, da durch die oben erläuterte gestufte Einspritzung von Kraftstoff eine Tumbelströmung T unterstützt wird. Wie aus 2 verdeutlicht wird, wird bei der ausschließlichen Einspritzung über die Spritzlöcher 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 die Tumbelströmung T nicht durch eingespritzten Kraftstoff über die Spritzlöcher 32 der zweiten Spritzlochanordnung 102 gestört. Hierdurch kann sich die Tumbelströmung T bei einer Otto-Brennkraftmaschine optimal im Brennraum 9 ausbreiten. Die bei der Tumbelströmung T erzeugte Rückströmung in Richtung zum Injektor 1 wird somit nicht durch eingespritzten Kraftstoff über andere Spritzlöcher gestört. Erst wenn der zweiten Dichtsitz 5 freigegeben ist, erfolgt eine Einspritzung über die Spritzlöcher 32 der zweiten Spritzlochanordnung entgegen der Tumbelströmung T.
Wie aus den 3 bis 6 ersichtlich ist, erfolgt somit ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit dem erfindungsgemäßen Injektor derart, dass beim Öffnen (Pfeil B1) des einteiligen Schließelements 2 zuerst die Spritzlöcher 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 geöffnet werden, während die Spritzlöcher 32 der zweiten Spritzlochanordnung 102 am zylindrischen zweiten Dichtsitz 5 noch geschlossen bleiben. Dadurch ergibt sich das in 4 dargestellte Spraybild. Mit weiterem Öffnen des Schließelements 2 (Pfeil B2), wie in 5 dargestellt, werden auch die Spritzlöcher 32 der zweiten Spritzlochanordnung 102 freigegeben. Erst dann erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff über alle Spritzlöcher 31, 32, wie in 6 dargestellt.
Durch die mögliche gestufte Einspritzung von Kraftstoff können nun unterschiedliche Brennverfahren mittels des erfindungsgemäßen Injektors realisiert werden.
7 zeigt beispielhaft ein Diagramm, welches die eingespritzte Kraftstoffmenge M über dem Kurbelwinkel K darstellt. In 7 bedeutet dabei die Abkürzung OT „Oberer Totpunkt“, wobei in 7 unterschieden wird in den LOT (Ladungswechsel-Oberer-Totpunkt) und den ZOT (Zünd-Oberer-Totpunkt). UT bedeutet „Unterer Totpunkt“.
Zur Verdeutlichung sind im Diagramm von 7 zwei Spraybilder S1 und S2 mit unterschiedlich geöffnetem Schließelement dargestellt. Nach LOT erfolgt eine vollständige Öffnung des Injektors 1, so dass das einteilige Schließelement 2 sowohl vom ersten Dichtsitz 4 als auch vom zweiten Dichtsitz 5 abgehoben ist. Hierdurch ergibt sich das über dem linken Teil des Diagramms dargestellte Spraybild S1 mit sieben Spraykeulen. Hierbei wird eine erste Kraftstoffmenge M1 eingespritzt.
7 zeigt dabei ein Magerbrennverfahren mit einem Luftverhältnis von λ ≥ 2, vorzugsweise auch mit λ ≥ 1. Bei der Otto-Brennkraftmaschine handelt es sich um eine 4-Takt-Maschine, wobei der Ansaugtakt bis zum unteren Totpunkt UT reicht. Anschließend erfolgt der Kompressionstakt, wobei vor dem Erreichen des Zünd-Oberen-Totpunkts ZOT zuerst eine zweite Kraftstoffeinspritzung mit einer zweiten Kraftstoffmenge M2 nur über die Spritzlöcher 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 erfolgt und dann ein Zünden zum Zündzeitpunkt Z, beides vor dem ZOT. Beim zweiten Einspritzzeitpunkt wird nur die erste Spritzlochanordnung 101 geöffnet, so dass die zweite Kraftstoffmenge M2 deutlich kleiner ist als die erste Kraftstoffmenge M1. Anschließend erfolgt in bekannter Weise der Arbeitstakt und ein Ausschiebetakt, welche in dem Diagramm aus Übersichtlichkeitsgründen nicht mehr dargestellt sind.
Somit kann beim Magerbrennverfahren mittels einer zündgekoppelten Einspritzung die Zündbedingungen insbesondere durch Erhöhung einer turbulenten kinetischen Energie signifikant verbessert werden. Ferner kann eine gezielte Anreicherung des zündkerzennahen Bereichs mit Kraftstoff zur Verbesserung der Entflammungsbedingungen erreicht werden.
Gemäß einem alternativen Verfahren kann auch ein homogenes Brennverfahren mit einem Luftverhältnis von λ = 1 realisiert werden. Hierbei kann insbesondere eine Mengenanpassung des eingespritzten Kraftstoffs durch eine vollständige Öffnung (z.B. bei Volllast) oder bei einem Leerlauf oder unteren Teillastbereich nur durch Öffnen der ersten Spritzlochanordnung 101 erreicht werden.
Weiterhin sei zu 7 angemerkt, dass als Magerbrennverfahren auch nur eine Kompressionshubeinspritzung mit ausschließlich der zweiten Kraftstoffmenge M2 ausgeführt werden kann. Weiter alternativ könnten die erste und die zweite Kraftstoffmenge M1 und M2 beide im Kompressionshub eingespritzt werden.
In 8 wird ein Brennverfahren dargestellt, welches eine Unterstützung einer Zylinderinnenströmung zur Ausbildung einer optimalen Tumbelströmung T beschreibt. Wie aus 8 ersichtlich ist, erfolgen nacheinander eine zweite Kraftstoffeinspritzung M2 und eine dritte Kraftstoffeinspritzung M3, wobei jeweils nur die Spritzlöcher 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 geöffnet werden (Spraybild S2 und S3). Hierdurch wird verhindert, dass durch Öffnen der Spritzlöcher 32 der zweiten Spritzlochanordnung 102 eine Gegenströmung durch eingespritzten Kraftstoff entgegen der Tumbelströmung T erzeugt wird, wodurch sich die Tumbelströmung T, wie in 2 schematisch dargestellt, optimal im Brennraum 9 ausbilden kann. Hierbei kann auch, wie in 7 gezeigt, kurz nach dem Ladungswechsel-Oberen-Totpunkt LOT eine Einspritzung einer ersten Kraftstoffmenge M1 mit vollständig geöffnetem Schließelement (Spraybild S1) erfolgen. Auch können noch eine Vielzahl weiterer Einspritzungen nach der dritten Kraftstoffeinspritzung M3 erfolgen. Das Injektorsystem ist in der Lage, bis zu 10 Einspritzungen pro Arbeitsspiel abzugeben. Es sei angemerkt, dass hier auch nur eine einzige Unterstützungseinspritzung mit nur teilweise geöffnetem Schließelement über die erste Spritzlochanordnung 101 erfolgen kann.
9 zeigt ein Diagramm, welches einen Kat-Heizbetrieb für einen Katalysator zeigt. Hierbei ist ein Luftverhältnis von λ ≥ 1 gewählt. Nach dem Ladungswechsel-Oberen-Totpunkt LOT erfolgt wiederum die erste Einspritzung einer ersten Kraftstoffmenge M1 bei vollständig geöffnetem Schließelement und anschließend eine zweite Einspritzung bei nur teilweise geöffnetem Schließelement. Die zweite Einspritzung nur über die erste Spritzlochanordnung 101, erfolgt dann nach Überschreiten des Zünd-Oberen-Totpunkts ZOT mit einer zweiten Kraftstoffmenge M2. Anschließend erfolgt eine Zündung zum Zündzeitpunkt Z. Hierbei kann im Kat-Heizbetrieb auch der Vorteil einer zündungsnahen Einspritzung genutzt werden. Hierdurch können insbesondere beim Kaltstart Partikelrohemissionen als auch Stickoxidrohemissionen reduziert werden.
Zu den 7, 8 und 9 sei angemerkt, dass hierbei jeweils auch Mehrfach-Einspritzungen möglich sind. Diese sind in den 7 und 9 durch die Bezugszeichen M1' sowie M2' angedeutet. So kann im in 7 gezeigten Magerverbrennungsbetrieb beispielsweise vor und nach dem Zündzeitpunkt Z eine oder mehrere Zusatzeinspritzungen M2' vorgenommen werden. Ebenso kann bei dem in 9 gezeigten Kat-Heizbetrieb vor und nach dem Zündzeitpunkt Z eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzungen M2' vorgenommen werden.
Die 10 und 11 zeigen einen Injektor 1 und eine Brennkraftmaschine 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Zündkerze 6' des zweiten Ausführungsbeispiels eine Vorkammer 60 auf. Die Vorkammer 60 weist mehrere Öffnungen 61 auf. Wie aus 10 ersichtlich ist, erfolgt beim Öffnen des Injektors 1 eine Einspritzung von Kraftstoff über ein zylindrisches Spritzloch 31 der ersten Spritzlochanordnung 101 über eine der Öffnungen 61 direkt in das Innere der Vorkammer 60. Dadurch wird innerhalb der Vorkammer 60 ein zündfähiges Gemisch erzeugt. Nach einer Zündung ergeben sich, wie in 10 dargestellt, sog. Fackelstrahlen 62, welche sich in den Brennraum 9 erstrecken und dort das befindliche Luft-Kraftstoffgemisch entzünden. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Spritzlochanordnung 101 nur genau ein einziges Spritzloch 31, welches in den Innenraum der Vorkammer 60 einspritzt. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Spritzlochanordnung 102 hier fünf gestufte Spritzlöcher 32. Die im zweiten Ausführungsbeispiel verwendete Zündkerze 6' wird auch als Wirbelkammerzündkerze oder passive Vorkammerzündkerze bezeichnet. Es sei ferner angemerkt, dass die im ersten Ausführungsbeispiel dargestellten Verfahren der Magerverbrennung, des homogenen Brennverfahrens und des Kat-Heizbetriebs ausführbar sind.
Ferner sei zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen angemerkt, dass ottomotorische Brennverfahren in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Injektor 1 signifikant verbessert werden können. Insbesondere kann bei einer Otto-Brennkraftmaschine auch ein höherer Einspritzdruck bis zu 2000 × 10⁵ Pa verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/040283 A1 [0002]
DE 102015223437 [0002]
DE 102010063355 A1 [0002]

Claims

Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend: - ein einteiliges Schließelement (2), - einen Ventilkörper (3), - eine erste Spritzlochanordnung (101) im Ventilkörper (3) mit wenigstens einem ersten Spritzloch (31), - eine zweite Spritzlochanordnung (102) im Ventilkörper (3) mit wenigstens einem zweiten Spritzloch (32), - wobei die erste Spritzlochanordnung (101) von der zweiten Spritzlochanordnung (102) in Axialrichtung (X-X) des Injektors um einen vorbestimmten Abstand (A) versetzt ist, - einen ersten Dichtsitz (4) zwischen dem Schließelement (2) und dem Ventilkörper (3), und - einen zweiten Dichtsitz (5) zwischen dem Schließelement (2) und dem Ventilkörper (3), welcher in Axialrichtung (X-X) des Injektors zwischen der ersten und zweiten Spritzlochanordnung (101, 102) angeordnet ist, - wobei der zweite Dichtsitz (5) in Axialrichtung (X-X) eine zylindrische Dichtfläche mit einer vorbestimmten Länge (L) aufweist, um im Öffnungsfall des Injektors eine gestufte Einspritzung des Kraftstoffs zu erreichen.
Injektor nach Anspruch 1, wobei die erste Spritzlochanordnung (101) weniger Spritzlöcher als die zweite Spritzlochanordnung (102) aufweist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spritzlochanordnung (101) genau ein einziges Spritzloch (31) oder genau zwei Spritzlöcher (31) aufweist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Spritzrichtung durch die Spritzlöcher der ersten und zweiten Spritzlochanordnungen (101, 102) derart ist, dass die Spritzrichtung aller Spritzlöcher unterschiedlich ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spritzlöcher (31, 32) der ersten und/oder zweiten Spritzlochanordnung in einem spitzen Winkel zu einer Axialrichtung (X-X) des Injektors gerichtet sind.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spritzlöcher (31) der ersten Spritzlochanordnung (101) derart angeordnet sind, dass eine durch das Spritzloch erzeugte Spraykeule (11, 12) in Richtung zu einer Zündkerze und/oder benachbart zu der Zündkerze gerichtet ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung (101) in einer ersten Ebene (E1) liegen und Spritzlöcher (32) der zweiten Spritzlochanordnung (102) in einer zweiten Ebene (E2) liegen, wobei die Ebenen (E1, E2) in Axialrichtung (X-X) voneinander einen Abstand (A) beabstandet sind.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Dichtsitz (4) ein sich verjüngender Dichtsitz, insbesondere ein konischer Dichtsitz ist.
Brennkraftmaschine (100) umfassend einen Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, umfassend eine Zündeinrichtung (6), wobei der Injektor derart angeordnet ist, dass wenigstens eine Spraykeule (11, 12) der Spritzlöcher (31) der ersten Spritzlochanordnung (101) in Richtung auf die Zündeinrichtung oder unmittelbar benachbart zur Zündeinrichtung gerichtet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, ferner umfassend eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, ein Magerbrennverfahren mit einem Luftverhältnis vom λ ≥ 1, insbesondere λ ≥ 2, auszuführen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, den Injektor (1) derart zu öffnen, dass ausschließlich die Spritzlöcher (31) der ersten Spritzlochanordnung (101) geöffnet sind, um eine Tumbelströmung (T) im Brennraum zu erzeugen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Heizbetrieb für einen Katalysator auszuführen, insbesondere mit einer ersten Einspritzung (M1) über die Spritzlöcher der ersten und zweiten Spritzlochanordnungen (101, 102) nach einem Ladungswechsel-Oberen-Totpunkt (LOT) und wenigstens einer zweiten Einspritzung (M2) ausschließlich über die Spritzlöcher (31) der ersten Spritzlochanordnung (101) nach einem Zünd-Oberen-Totpunkt (ZOT).
Verwendung eines Injektors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Otto-Brennkraftmaschine (100).