DE102022201274A1

DE102022201274A1 - Verfahren und System zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittelangereicherten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102022201274A1
Application number: DE102022201274.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Revidat
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2023-07-20
Also published as: US11649794B1; CN116480470A; KR20230110019A

Abstract

Ein Verfahren zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs umfasst Bereitstellen eines Kraftstoffs mit einer Kraftstoffpumpe unter einem ersten Druck an einem Kraftstoffeinlass einer Einspritzdüse; Bereitstellen eines Kraftstoffverbesserungsmittels mit einer Verbesserungsmittelpumpe unter einem zweiten Druck an einer Einlassbohrung der Einspritzdüse, welche stromabwärts des Kraftstoffeinlasses in Bezug auf einen Düsenauslass der Einspritzdüse angeordnet ist, wobei der zweite Druck zumindest für ein begrenztes Zeitintervall vor der Einspritzung höher ist als der erste Druck, um den Kraftstoff mit dem Kraftstoffverbesserungsmittel innerhalb der Einspritzdüse anzureichern; und Einspritzen des mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in den Verbrennungsmotor an dem Düsenauslass.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Einspritzsystem.
Hintergrund
Um die hohen Anforderungen der Kunden an Personenkraftwagen zu erfüllen und die zukünftigen CO2-Emissions- und Abgasvorschriften einzuhalten, setzen moderne hocheffiziente Benzinverbrennungsmotoren häufig auf die Benzindirekteinspritzung (GDI). Diese Technologie ermöglicht insbesondere bei Motoren mit hoher spezifischer Leistung und unter Einhaltung der neuesten Abgasvorschriften große Vorteile.
Die Kraftstoffversorgung moderner GDI-Motoren erfolgt in der Regel über eine Hochdruckpumpe, die das Benzin auf einen Druck von etwa 50 bis 500 bar bringt und es in einen Einspritzverteiler und von dort weiter zu den Einspritzdüsen pumpt. Der Benzindruck wird in der Regel durch das Motorsteuergerät (ECU) des Fahrzeugs geregelt.
Da Verbrennungsmotoren wahrscheinlich auch im nächsten Jahrzehnt eine wichtige Antriebsquelle für die Mobilität bleiben werden, werden auch die Emissionsvorschriften und insbesondere der Kraftstoffverbrauch wichtige Leistungskriterien bleiben. In dieser Hinsicht werden wahrscheinlich auch Kraftstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften auf dem Markt immer mehr an Bedeutung gewinnen. Ein kürzlich vorgeschlagener Ansatz zur Verbesserung der Verbrennungsleistung umfasst die Einspritzung eines Gemischs aus Kraftstoff und verbrennungsverbessernden Additiven (auch Kraftstoffverbesserungsmittel genannt, englisch: „fuel improver“, z. B. Cetanverbesserer im Falle von Dieselkraftstoff, insbesondere auf der Basis von Ethylhexylnitrat, EHN), siehe z. B. Ickes et al., „Effect of 2-Ethylhexyl Nitrate Cetane Improver on NOx Emissions from Premixed Low-Temperature Diesel Combustion“, Energy & Fuels, 23, 10, 4943-4948, 2009. Diese und ähnliche Studien deuten darauf hin, dass eine solche kombinierte Einspritzung von Normalkraftstoff und Kraftstoffverbesserungsmittel ein hohes Potenzial für eine erhebliche Senkung des Kraftstoffverbrauchs sowie der NOx-, HC- und Rußemissionen bieten könnte.
Die Druckschrift US 2014/0202420 A1 aus dem Stand der Technik beschreibt eine Anordnung und ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit direkter dualer Kraftstoffeinspritzung.
Die Druckschrift US 2020/0182173 A1 aus dem Stand der Technik beschreibt ein System zur Steuerung der Kraftstoffmischmenge mit aktiver Spülung.
Zusammenfassung der Erfindung
Somit besteht ein Bedarf, praktische Lösungen für den Einsatz von Kraftstoffverbesserungsmitteln in Verbrennungssystemen mit Direkteinspritzung zu finden.
Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 10 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 20 bereit.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs Bereitstellen eines Kraftstoffs mit einer Kraftstoffpumpe unter einem ersten Druck an einem Kraftstoffeinlass einer Einspritzdüse; Bereitstellen eines Kraftstoffverbesserungsmittels mit einer Verbesserungsmittelpumpe unter einem zweiten Druck an einer Einlassbohrung der Einspritzdüse, welche stromabwärts des Kraftstoffeinlasses in Bezug auf einen Düsenauslass der Einspritzdüse angeordnet ist, wobei der zweite Druck zumindest für ein begrenztes Zeitintervall vor der Einspritzung höher ist als der erste Druck, um den Kraftstoff mit dem Kraftstoffverbesserungsmittel innerhalb der Einspritzdüse anzureichern; und Einspritzen des mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in den Verbrennungsmotor an dem Düsenauslass.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Einspritzsystem zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs eine Einspritzdüse, welche dazu ausgebildet ist, an einem Düsenausgang Kraftstoff in den Verbrennungsmotor einzuspritzen; eine Kraftstoffpumpe, welche dazu ausgebildet ist, einen Kraftstoff unter einem ersten Druck an einem Kraftstoffeinlass der Einspritzdüse bereitzustellen; und eine Verbesserungsmittelpumpe, welche dazu ausgebildet ist, ein Kraftstoffverbesserungsmittel unter einem zweiten Druck an einer Einlassbohrung der Einspritzdüse bereitzustellen, die stromabwärts des Kraftstoffeinlasses in Bezug auf den Düsenauslass der Einspritzdüse angeordnet ist, wobei der zweite Druck zumindest für ein begrenztes Zeitintervall vor der Einspritzung höher ist als der erste Druck, um den Kraftstoff mit dem Kraftstoffverbesserungsmittel innerhalb der Einspritzdüse anzureichern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug ein Einspritzsystem gemäß der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung bietet einen praktisch umsetzbaren und anwendbaren Ansatz für ein auf Direkteinspritzung basierendes Kraftstoffsystem, das bei Bedarf ein mit Additiven angereichertes Kraftstoffgemisch liefern kann. Ein Grundgedanke der Erfindung ist, dass ein Kraftstoff durch sehr geringe Mengen eines oder mehrerer flüssiger Additive präzise gesteuert angereichert werden kann, indem die Flüssigkeiten kurz vor der Einspritzung auf der Basis fein abgestimmter Druckunterschiede gemischt werden. Dazu werden die Flüssigkeiten von individuellen Hochdruckpumpen gefördert und erst in der Einspritzdüse miteinander vermischt möglichst kurz, bevor sie die Düse an ihrem Ausgang verlassen. Um das „tote“ Volumen der eingespritzten Flüssigkeiten zu reduzieren und die Reaktionszeit zu verbessern, wird ein Einspritzer mit einer einfachen Bohrung als Schnittstelle zwischen zwei oder mehreren Medien versehen.
Beispielsweise kann die Einspritzmenge des Verbesserungsmittels sehr genau eingestellt werden, indem der Druck des Verbesserungsmittels gegenüber dem des Hauptkraftstoffs vor der Einspritzung mit Druckspitze oder Druckplateau bereitgestellt wird. Auf diese Weise lassen sich die Mischungsverhältnisse in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt des jeweiligen Motors sehr schnell anpassen. Somit ist ein dynamisches Verhalten und eine stabile Vermischung im ppm-Bereich auf der Basis der vorliegenden Erfindung auch in Serienfahrzeugen realisierbar. Darüber hinaus kann die Erfindung prinzipiell auch bei bestehenden Einspritzsystemen nachgerüstet werden.
Es versteht sich, dass der hierin verwendete Begriff „Fahrzeug“ oder ein anderer ähnlicher Begriff Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie beispielsweise Personenkraftwagen umfasst, einschließlich Sport Utility Vehicles (SUV), Bussen, Lastkraftwagen, verschiedenen Nutzfahrzeugen und dergleichen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridfahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen beinhaltet (z.B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl stammen). Vorliegend wird unter einem Hybridfahrzeug ein Fahrzeug verstanden, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Kraftstoffverbesserungsmittel mit dem Kraftstoff in der Einspritzdüse mit einer relativen Häufigkeit von weniger als 100 ppm vermischt werden. Dies kann durch entsprechende Auslegung der Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck und/oder einer Größe der Einlassbohrung erreicht werden.
Die Erfindung beruht daher auf einfachen Mitteln, um eine genaue Zuführung und Vermischung der jeweiligen Flüssigkeiten zu erreichen. Die Kraftstoffkomponenten vermischen sich durch eine fein abgestimmte „Mikrodruck“-Differenz und durch die Zuführung der Additive über eine kleine Bohrung kurz vor der Einspritzung. Auf diese Weise kann das Additiv bei jedem Einspritzzyklus mit dem Kraftstoff vermischt werden, ohne dass teure Geräte wie z.B. Mikroventile erforderlich sind, die sonst für eine genaue Eintrittssteuerung benötigt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck weniger als 10 bar betragen.
Der optimale Druckunterschied für jede Anwendung kann durch Simulationen und/oder Experimente bestimmt werden. Ein typischer Druckbereich liegt z. B. zwischen 0,1 bar und 7,0 bar.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Durchmesser der Einlassbohrung weniger als 1 mm betragen.
So kann der Durchmesser der Zuleitung beispielsweise zwischen 0,25 mm und 0,75 mm liegen. Der Fachmann wird jedoch die genauen Werte entsprechend der jeweiligen Anwendung wählen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Kraftstoffpumpe und die Verbesserungsmittelpumpe gemeinsam von einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors mechanisch angetrieben werden.
Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass zwei (oder mehr) Pumpenköpfe desselben oder eines ähnlichen Typs an einer gemeinsamen Welle angebracht werden. Ein solches integriertes Hochdruckmodul hätte den Vorteil, dass die Druckbeaufschlagung zwischen den einzelnen Pumpenköpfen automatisch synchronisiert würde.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Kraftstoffpumpe und die Verbesserungsmittelpumpe als getrennt betriebene Hochdruckpumpen bereitgestellt sein, insbesondere elektrohydraulische Pumpen.
Dieser Ansatz kann bei bestimmten Anwendungen flexibler sein, da die Hardware nicht perfekt auf die Kraftstoffkomponenten abgestimmt sein muss (aufgrund des gemeinsamen Volumens). Stattdessen können zwei getrennt angetriebene (z.B. elektrisch) und/oder betriebene Hydraulikpumpen mit getrenntem Volumen verwendet werden. In diesem Fall müssten jedoch beide Pumpen miteinander synchronisiert werden, da dies im Gegensatz zu einer einzelnen Nockenwelle als mechanischem Aktuator nicht automatisch gegeben ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Kraftstoffpumpe den Kraftstoff an dem Kraftstoffeinlass über einen Kraftstoffverteiler und die Verbesserungsmittelpumpe das Kraftstoffverbesserungsmittel an der Einlassbohrung über einen Verbesserungsmittelverteiler bereitstellen, wobei der Verbesserungsmittelverteiler von dem Kraftstoffverteiler getrennt ist.
Der für eine präzise Eintrittssteuerung erforderliche Mikrodruck kann somit durch eine sehr kleine Volumenänderung innerhalb eines der Verteiler, insbesondere des Verbesserungsmittelverteilers, aufgebracht werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Druck in dem Verbesserungsmittelverteiler gegenüber dem Kraftstoffverteiler durch ein mit dem Verbesserungsmittelverteiler gekoppeltes Druckentlastungsventil stabilisiert werden.
So kann das Volumen in dem Verbesserungsmittelverteiler flexibel eingestellt werden. Dadurch kann die Druckdifferenz zwischen Kraftstoff und Verbesserungsmittel ohne Verluste durch kontrollierten Austritt stabilisiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Druckniveaus innerhalb der Kraftstoffpumpe und der Verbesserungsmittelpumpe durch eine gemeinsame Steuereinheit miteinander synchronisiert werden.
Beispielsweise können beide Pumpen durch das Motorsteuergerät des Fahrzeugs gesteuert werden, das zu diesem Zweck mit mehreren an den Verteilern und/oder den Pumpen installierten Drucksensoren kommunikativ gekoppelt sein kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Kraftstoff Benzin oder Diesel und das Verbesserungsmittel ein Oktan- oder Cetanverbesserer sein, insbesondere auf Basis von Ethylhexylnitrat.
Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Erfindung auch für andere Zwecke eingesetzt werden kann, z.B. zum Boosten eines mit einem alternativen Kraftstoff betriebenen Motors und/oder zur Kombination verschiedener Kraftstoffe miteinander.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Einlassbohrung innerhalb eines Einspritzerkörpers der Einspritzdüse ausgebildet sein. Das Kraftstoffverbesserungsmittel kann an der Einlassbohrung durch einen die Einspritzdüse umschließenden, versetzt um den Einspritzerkörper angeordneten Einspritzermantel hindurch bereitgestellt sein.
Da die Vermischung kurz vor der Einspritzung zu erfolgen hat, muss das Eindringen des Verbesserungsmittels hydraulisch so kurz wie möglich vor der Injektorspitze erfolgen. Daher sollte eine Bohrung als Schnittstelle zwischen dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Einspritzer und dem unter hohem Druck stehenden Verbesserungsmittel möglichst nahe an einem Abdichtelement (typischerweise eine Nadel oder Kugel) hin zum Brennraum liegen. Diese Bohrung muss einen sehr kleinen Durchmesser haben, da der erforderliche Durchfluss sehr gering sein kann, z.B. einen Durchmesser zwischen 0,25 mm und 0,75 mm, um ein genaues Eindringen des Verbesserungsmittels zu ermöglichen.
Diese kleinen Durchmesser ermöglichen die Verwendung von Umgebungsmaterial mit vergleichsweise geringer Festigkeit und Dicke, um eine angemessene Robustheit gegen Bersten zu gewährleisten. Da das Verbesserungsmittel dennoch zur Injektorspitze gelangen muss, ist eine Ummantelung des Einspritzers mit einer definierten Bohrung für die Zuführung eine sehr praktische Lösung. Ein solcher Mantel (einschließlich der Dichtungselemente) kann z.B. durch eine Presspassung angebracht werden, wodurch der Einspritzerkörper gegen das unter hohem Druck stehende Verbesserungsmittel abgedichtet wird. Da der kleine Durchmesser eine hohe Dosiergenauigkeit mittels „Mikrodruck“ ermöglicht, sind zusätzliche Ventile nicht erforderlich.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Figurenliste
Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Erfindung vermitteln und bilden einen Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Sie veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und viele der genannten Vorteile der Erfindung ergeben sich im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes ausgeführt ist.

1 zeigt schematisch ein Einspritzsystem zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Einspritzdüse, die in dem System von 1 verwendet wird.
3 ist eine weitere Ansicht der Einspritzdüse von 2.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs unter Verwendung des Systems von 1.
5 zeigt schematisch ein Einspritzsystem für die Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben werden, wird dem Fachmann klar sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen die dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen deckt die Anmeldung sämtliche Anpassungen oder Variationen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ab.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Da moderne Autos höchste Anforderungen in Bezug auf Verbrauch, Emissionen und Leistung erfüllen müssen, sind Benzinfahrzeuge meist mit Direkteinspritzsystemen ausgestattet. Benzindirekteinspritzung (GDI) bedeutet, dass der Kraftstoff von einer Einspritzdüse direkt in den Brennraum des Motors eingespritzt wird, der dann ein internes Gasgemisch herstellt. Solche GDI-Systeme führen zu einer sehr effizienten und sauberen Verbrennung. Angesichts der immer strengeren Emissionsvorschriften sind jedoch weitere Verbesserungen dieser Systeme in Bezug auf den Verbrauch und die Schadstoffleistung wünschenswert.
Jüngste experimentelle Studien in der Laborumgebung deuten darauf hin, dass die Verbrennung möglicherweise erheblich verbessert werden kann, wenn der jeweilige Kraftstoff mit einem oder mehreren Additiven, so genannten Kraftstoffverbesserungsmitteln, vermischt wird, z. B. Oktan- oder Cetanverbesserer für Benzin oder Diesel auf der Basis von Ethylhexylnitrat (EHN). Dies wurde bisher lediglich in der sauberen und stabilen Umgebung eines Labors gezeigt. Für die Anwendung in modernen GDI- oder Dieseleinspritztechnologien wäre ein dynamisches Verhalten und eine stabile Mischung im ppm-Bereich erforderlich. Daher besteht die Notwendigkeit, den Laboransatz auf die Straße zu übertragen, d.h. auf eine industriell anwendbare Lösung. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe, wie im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wird.
In 1 ist schematisch ein Einspritzsystem 10 zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. 2 und 3 zeigen eine Einspritzdüse 1, die in dem System der 1 verwendet wird. 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens M zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs unter Verwendung des Systems 10 von 1.
Das Einspritzsystem 10 umfasst mehrere Einspritzdüsen 1, welche dazu ausgebildet sind, dass sie an den jeweiligen Düsenauslässen 1f Kraftstoff in den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) einspritzen. Eine beispielhafte Düse 1 ist in den 2 und 3 dargestellt.
Wie bei herkömmlichen Systemen ist eine Kraftstoffpumpe 5 dazu ausgebildet, einen Kraftstoff 2 unter einem ersten Druck an einem Kraftstoffeinlass 1 a der Einspritzdüse 1 bereitzustellen. Darüber hinaus umfasst das System 10 jedoch im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen eine Verbesserungsmittelpumpe 6, welche dazu ausgebildet ist, ein Kraftstoffverbesserungsmittel 3 unter einem zweiten Druck an einer Einlassbohrung 1b der Einspritzdüse 1 bereitzustellen, die in Bezug auf den Düsenauslass 1f der Einspritzdüse 1 stromabwärts des Kraftstoffeinlasses 1a angeordnet ist (vgl. insbesondere 2). Eine der Pumpen pumpt also den Basiskraftstoff entsprechend dem Motorbedarf, während die andere fortlaufend das Verbesserungsmittel (z. B. EHN) fördert und unter Druck setzt.
Der zweite Druck wird zumindest für ein begrenztes Zeitintervall vor der Einspritzung höher als der erste Druck eingestellt, um den Kraftstoff 2 mit dem Kraftstoffverbesserungsmittel 3 in der Einspritzdüse 1 anzureichern. Genauer gesagt ist die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck derart ausgelegt, dass das Kraftstoffverbesserungsmittel 3 mit einer relativen Häufigkeit von weniger als 100 ppm mit dem Kraftstoff 2 innerhalb der Einspritzdüse 1 vermischt wird. Die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck kann z.B. weniger als 10 bar, z.B. weniger als 7 bar betragen.
Als zweite Maßnahme zur Erzielung des oben erwähnten präzisen Mischungsgrades ist die Einlassbohrung 1 b möglichst nahe an dem Düsenaustritt 1f positioniert und relativ klein ausgeführt, z.B. mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm, z.B. zwischen 0,25 mm und 0,75 mm.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Einlassbohrung 1b innerhalb eines Einspritzerkörpers 1d der Einspritzdüse 1 ausgebildet (z.B. durch Schneiden). Das Kraftstoffverbesserungsmittel 3 wird an der Einlassbohrung 1 b durch einen Einspritzermantel 1e hindurch bereitgestellt, der die Einspritzdüse 1 umschließt und versetzt um den Einspritzerkörper 1d herum angeordnet ist. Der Einspritzermantel 1e kann beispielsweise durch Einpressen einer entsprechenden Hülse von unten auf die Einspritzdüse 1 gebildet werden, nachdem die Einlassbohrung 1b aus dem Einspritzerkörper 1d herausgeschnitten wurde. Auf diese Weise kann der Aufbau auch bei herkömmlichen Einspritzdüsen nachgerüstet werden.
Der Einspritzermantel 1e ist gegenüber dem Einspritzerkörper 1d versetzt angeordnet, um die Dichtheit zu verbessern (um die Einlassbohrung 1b herum verbleibt ein größeres Volumen zwischen dem Einspritzerkörper 1d und dem Einspritzermantel 1e). Innerhalb des Einspritzermantels 1e ist ein kleiner Verbesserungsmittelakkumulator 1g angeordnet (z.B. ~1 cm³), der das Verbesserungsmittel 3 aus dem Verbesserungsmitteleinlass 1c aufnimmt und in die Einlassbohrung 1b leitet.
In der beispielhaften Ausführung von 1 sind die Kraftstoffpumpe 5 und die Verbesserungsmittelpumpe 6 als zwei getrennt angetriebene und/oder betriebene Hochdruckpumpen, z.B. elektrohydraulische Pumpen, mit jeweils eigenem Verteiler ausgeführt. Ein Kraftstoffverteiler 7 verteilt den Kraftstoff 2 von der Kraftstoffpumpe 5 über Kraftstoffleitungen 13 zu dem Kraftstoffeinlass 1a. Ein Verbesserungsmittelverteiler 8 verteilt das Kraftstoffverbesserungsmittel 3 von der Verbesserungsmittelpumpe 6 über die Verbesserungsmittelleitungen 14 zu dem Verbesserungsmitteleinlass 1c.
Eine gemeinsame Steuereinheit 11, z.B. das Motorsteuergerät (ECU), ist dazu ausgebildet, die Druckverhältnisse in der Kraftstoffpumpe 5 und der Verbesserungsmittelpumpe 6 miteinander zu synchronisieren. Zu diesem Zweck kommuniziert die Steuereinheit 11 mit entsprechenden Drucksensoren 16 in den Verteilern 7, 8 des Systems sowie den Kraftstoffpumpen 5, 6 über eine Steuerleitung 17. Ein Druckentlastungsventil 9 ist mit dem Verbesserungsmittelverteiler 8 gekoppelt, um den Druck in dem Verbesserungsmittelverteiler 8 gegenüber dem Kraftstoffverteiler 7 zu stabilisieren und so beide Drücke aufeinander abstimmen zu können.
Für jeden Einspritzzyklus kann die Steuereinheit 11 eine Solldruckanforderung an die Kraftstoffpumpe 5 entsprechend ihrer Kalibrierung senden. Die Steuereinheit 11 kann ferner einen Solldruck gemäß der Kraftstoffkalibrierung + einen Mikrodruck (z. B. 0,1 bar bis 0,7 bar) gemäß der Dosierkalibrierung an die Verbesserungsmittelpumpe 6 senden, um sicherzustellen, dass der Verbesserungsmitteldruck zumindest kurz vor der Einspritzung etwas höher ist als der Kraftstoffdruck. Das Druckentlastungsventil 9 (oder eine andere geeignete Vorrichtung) stabilisiert inzwischen die Druckdifferenz.
In einem einfachen Beispiel könnte das System 10 einen ersten Druck für das Kraftstoffsystem von 175 bar fordern. Wenn das System 10 nun 10 ppm EHN anfordert, muss der Druck am Einspritzer 1 175 bar + 1,4 bar für den Eintritt betragen, was 176,4 bar ergibt, die im Verbesserungsmittelsystem angewendet werden müssen. Es versteht sich von selbst, dass der genaue Wert für die Druckdifferenz für die jeweilige Anwendung auf der Grundlage von Versuchen und/oder Simulationen zu kalibrieren ist.
Unten links in 1 ist eine beispielhafte Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Drücke P von Kraftstoff 2 und Verbesserungsmittel 3 zu sehen. Wie zu erkennen ist, wird der Druck des Verbesserungsmittels 3 für einen kurzen Zeitraum vor der eigentlichen Einspritzung über den Druck des Kraftstoffs 2 angehoben (an der steilen Kante in der Mitte der Grafik).
Da die beiden Pumpen 5, 6 unabhängig von Motor und Kraftstofftyp arbeiten, können mit dieser Lösung auch bestehende Anlagen nachgerüstet werden, indem die entsprechenden Komponenten für die Förderung des Verbesserungsmittels 3 hinzugefügt und die entsprechenden Änderungen an den Einspritzdüsen 1 vorgenommen werden.
Das in 4 dargestellte entsprechende Verfahren M umfasst unter M1 Bereitstellen des Kraftstoffs 2 mit der Kraftstoffpumpe 5 unter dem ersten Druck an den Kraftstoffeinlass 1a der Einspritzdüse 1, unter M2 Bereitstellen des Kraftstoffverbesserungsmittels 3 mit der Verbesserungsmittelpumpe 6 unter dem zweiten Druck an der Einlassbohrung 1b der Einspritzdüse und unter M3 Einspritzen des mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs 4 in den Verbrennungsmotor an dem Düsenauslass.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der das gleiche Einspritzerdesign wie in den 2 und 3 verwendet wird, welche aber auf einem anderen Aufbau des Drucksystems 15 für den Kraftstoff 2 und das Kraftstoffverbesserungsmittel 3 beruht. In diesem Fall werden die Kraftstoffpumpe 5 und die Verbesserungsmittelpumpe 6 mechanisch angetrieben und gemeinsam an eine einzelne Nockenwelle 12 des jeweiligen Motors gekoppelt. Die Kraftstoffpumpe 5 ist in der üblichen Weise mit einer Kraftstoffleitung 7 verbunden. Die Verbesserungsmittelpumpe 6 hingegen benötigt in dieser Ausführungsform aufgrund ihrer geringeren Fördermenge keinen eigenen Verteiler. Drucksensoren sind in der Abbildung nicht dargestellt, können aber dennoch erforderlich sein, um zu überprüfen, ob die Druckverhältnisse korrekt sind.
Die Kraftstoffpumpe 5 kann sich in ihren Parametern und ihrer Auslegung nicht von herkömmlichen Druckpumpen, z.B. GDI-Hochdruckpumpen, unterscheiden. Die Verbesserungsmittelpumpe 6 hingegen muss eine weitaus geringere Menge fördern. Daher können bei letzterer der Kolben und der Kompressionsraum deutlich kleiner ausgeführt werden (die endgültigen Abmessungen müssen eher der Belastung als den Mengenvorgaben entsprechen, z.B. erfordert ein Kolben für 350 bar einen Mindestdurchmesser von ~4 mm). Da dieses System sehr sensitiv ist, kann ein Hochdruckventil in der Verbesserungsmittelpumpe 6 einen sehr kurzen Öffnungsweg (~0,5 mm) und eine geringe Federrate (~2 N Vorspannung und Steifigkeit 0,5 N/mm - 2 N/mm) haben. Dies kann auch gegen das Eindringen von Kraftstoff in den Verbesserungsmittelkreislauf absichern.
Der Kolbenhub der einzelnen Pumpen muss geändert werden, um ihre pumpenspezifische Funktion zu ermöglichen. Der Hub für die Kraftstoffpumpe 5 kann wie für eine Kraftstoffpumpe 5 typisch parametrisiert werden. Der Hub der Verbesserungsmittelpumpe 6 kann im Verhältnis zur Kraftstoffpumpe 5 parametrisiert werden. Da für das Verbesserungsmittel 3 ein höheres Druckniveau erforderlich ist, muss der Hub beginnen, bevor der Kraftstoff 2 mit Druck beaufschlagt wird (vgl. rechte Grafik in 5). Ein Nockenwinkel für die Verbesserungsmittelpumpe 6 kann z.B. das Anheben um 5° - 25° vor dem Anheben der Kraftstoffpumpe 5 einleiten, je nach Kraftstoffförderung und Kompressibilität des Verbesserungsmittels 3. Im Idealfall für höchste Dosiergenauigkeit sollte die Verbesserungsmittelnockenwelle 12b kurz vor der Kraftstoffeinspritzung anheben, aber nicht während der Einspritzung, da der statische Druck im Einspritzer 1 während der Einspritzung unbekannt, aber vor der Einspritzung bekannt ist. Der maximale Hub der Verbesserungsmittelpumpe 6 kann derart ausgebildet sein, dass der maximale Verteilerdruck + 5 bar (d.h. der maximale „Mikrodruck“) erreicht wird. Natürlich sollte ein Berstdruck des Hochdruckventils berücksichtigt werden. Ein typischer Bereich kann 1,2 mm bis 2,7 mm betragen. Aufgrund des sich daraus ergebenden geringeren Hubgefälles wird die Dosiergenauigkeit durch die Einstellung des Zieldrucks über das digitale Einlassventil der Pumpeneinheit erhöht.
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, nicht jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein. Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis darstellen zu können, sodass Fachleuten ermöglicht wird, die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal zu modifizieren und zu nutzen.
Bezugszeichenliste

1: Einspritzdüse
1a: Kraftstoffeinlass
1b: Einlassbohrung
1c: Verbesserungsmitteleinlass
1d: Einspritzerkörper
1e: Einspritzermantel
1f: Düsenausgang
1g: Verbesserungsmittelakkumulator
2: Kraftstoff
3: Kraftstoffverbesserungsmittel
4: mit Verbesserungsmittel angereicherter Kraftstoff
5: Kraftstoffpumpe
6: Verbesserungsmittelpumpe
7: Kraftstoffverteiler
8: Verbesserungsmittelverteiler
9: Druckentlastungsventil
10: Einspritzsystem
11: Steuereinheit
12: Nockenwelle
12a: Brennstoffnockenwelle
12b: Verbesserungsmittelnockenwelle
13: Kraftstoffleitung
14: Verbesserungsmittelleitung
15: Druckbeaufschlagungssystem
16: Drucksensor
17: Steuerleitung
18: Kraftstoffversorgung
19: Verbesserungsmittelversorgung
100: Kraftfahrzeug
P: Druck
t: Zeit
L: Kolbenhub
α: Schaftwinkel
M: Verfahren
M1-M3: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140202420 A1 [0005]
US 20200182173 A1 [0006]

Claims

Verfahren (M) zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs (4) in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs (100), wobei das Verfahren (M) umfasst: Bereitstellen (M1) eines Kraftstoffs (2) mit einer Kraftstoffpumpe (5) unter einem ersten Druck an einem Kraftstoffeinlass (1a) einer Einspritzdüse (1); Bereitstellen (M2) eines Kraftstoffverbesserungsmittels (3) mit einer Verbesserungsmittelpumpe (6) unter einem zweiten Druck an einer Einlassbohrung (1b) der Einspritzdüse (1), welche stromabwärts des Kraftstoffeinlasses (1a) in Bezug auf einen Düsenauslass (1f) der Einspritzdüse (1) angeordnet ist, wobei der zweite Druck zumindest für ein begrenztes Zeitintervall vor der Einspritzung höher ist als der erste Druck, um den Kraftstoff (2) mit dem Kraftstoffverbesserungsmittel (3) innerhalb der Einspritzdüse (1) anzureichern; und Einspritzen (M3) des mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs (4) in den Verbrennungsmotor an dem Düsenauslass (1f).
Verfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffverbesserungsmittel (3) mit dem Kraftstoff (2) in der Einspritzdüse (1) mit einer relativen Häufigkeit von weniger als 100 ppm vermischt wird.
Verfahren (M) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck weniger als 10 bar beträgt.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kraftstoffpumpe (5) und die Verbesserungsmittelpumpe (6) gemeinsam von einer Nockenwelle (12) des Verbrennungsmotors mechanisch angetrieben werden.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kraftstoffpumpe (5) und die Verbesserungsmittelpumpe (6) getrennt betriebene Hochdruckpumpen sind, insbesondere elektrohydraulische Pumpen.
Verfahren (M) nach Anspruch 5, wobei die Kraftstoffpumpe (5) den Kraftstoff (2) an dem Kraftstoffeinlass (1a) über einen Kraftstoffverteiler (7) und die Verbesserungsmittelpumpe (6) das Kraftstoffverbesserungsmittel (3) an der Einlassbohrung (1b) über einen Verbesserungsmittelverteiler (8) bereitstellt, wobei der Verbesserungsmittelverteiler (8) von dem Kraftstoffverteiler (7) getrennt ist.
Verfahren (M) nach Anspruch 6, wobei der Druck in dem Verbesserungsmittelverteiler (8) gegenüber dem Kraftstoffverteiler (7) durch ein mit dem Verbesserungsmittelverteiler (8) gekoppeltes Druckentlastungsventil (9) stabilisiert wird.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Druckniveaus innerhalb der Kraftstoffpumpe (5) und der Verbesserungsmittelpumpe (6) durch eine gemeinsame Steuereinheit (11) miteinander synchronisiert werden.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kraftstoff (2) Benzin oder Diesel und das Verbesserungsmittel (3) ein Oktan- oder Cetanverbesserer ist, insbesondere auf Basis von Ethylhexylnitrat.
Einspritzsystem (10) zur Direkteinspritzung eines mit Verbesserungsmittel angereicherten Kraftstoffs (4) in einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs (100), wobei das Einspritzsystem (10) umfasst: eine Einspritzdüse (1), welche dazu ausgebildet ist, an einem Düsenausgang (1f) Kraftstoff in den Verbrennungsmotor einzuspritzen; eine Kraftstoffpumpe (5), welche dazu ausgebildet ist, einen Kraftstoff (2) unter einem ersten Druck an einem Kraftstoffeinlass (1a) der Einspritzdüse (1) bereitzustellen; und eine Verbesserungsmittelpumpe (6), welche dazu ausgebildet ist, ein Kraftstoffverbesserungsmittel (3) unter einem zweiten Druck an einer Einlassbohrung (1b) der Einspritzdüse (1) bereitzustellen, die stromabwärts des Kraftstoffeinlasses (1a) in Bezug auf den Düsenauslass (1f) der Einspritzdüse (1) angeordnet ist, wobei der zweite Druck zumindest für ein begrenztes Zeitintervall vor der Einspritzung höher ist als der erste Druck, um den Kraftstoff (2) mit dem Kraftstoffverbesserungsmittel (3) innerhalb der Einspritzdüse (1) anzureichern.
Einspritzsystem (10) nach Anspruch 10, wobei die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck und/oder eine Größe der Einlassbohrung (1b) derart ausgelegt ist, dass das Kraftstoffverbesserungsmittel (3) mit dem Kraftstoff (2) innerhalb der Einspritzdüse (1) mit einer relativen Häufigkeit von weniger als 100 ppm vermischt wird.
Einspritzsystem (10) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck weniger als 10 bar beträgt, und/oder wobei ein Durchmesser der Einlassbohrung (1b) weniger als 1 mm beträgt.
Einspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Einlassbohrung (1b) innerhalb eines Einspritzerkörpers (1e) der Einspritzdüse (1) ausgebildet ist, wobei das Kraftstoffverbesserungsmittel (3) an der Einlassbohrung (1b) durch einen die Einspritzdüse (1) umschließenden, versetzt um den Einspritzerkörper (1d) herum angeordneten Einspritzermantel (1e) hindurch bereitgestellt ist.
Einspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Kraftstoffpumpe (5) und die Verbesserungsmittelpumpe (6) gemeinsam mechanisch mit einer Nockenwelle (12) der Brennkraftmaschine gekoppelt sind.
Einspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Kraftstoffpumpe (5) und die Verbesserungsmittelpumpe (6) beide als getrennt betriebene Hochdruckpumpen, insbesondere elektrohydraulische Pumpen, ausgebildet sind.
Einspritzsystem (10) nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen Kraftstoffverteiler (7), wobei die Kraftstoffpumpe (5) dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff (2) über den Kraftstoffverteiler (7) an dem Kraftstoffeinlass (1a) bereitzustellen; und einen Verbesserungsmittelverteiler (8), welcher von dem Kraftstoffverteiler (7) getrennt ist, wobei die Verbesserungsmittelpumpe (6) dazu ausgebildet ist, das Kraftstoffverbesserungsmittel (3) an der Einlassbohrung (1b) über den Verbesserungsmittelverteiler (8) bereitzustellen.
Einspritzsystem (10) nach Anspruch 16, ferner umfassend ein Druckentlastungsventil (9), welches mit dem Verbesserungsmittelverteiler (8) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den Druck innerhalb des Verbesserungsmittelverteilers (8) relativ zu dem Kraftstoffverteiler (7) zu stabilisieren.
Einspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, ferner umfassend eine gemeinsame Steuereinheit (11), welche dazu ausgebildet ist, die Druckniveaus in der Kraftstoffpumpe (5) und der Verbesserungsmittelpumpe (6) miteinander zu synchronisieren.
Einspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei der Kraftstoff (2) Benzin oder Diesel und das Kraftstoffverbesserungsmittel (3) ein Oktan- oder Cetanverbesserer, insbesondere auf Basis von Ethylhexylnitrat, ist.
Kraftfahrzeug (100) mit einem Einspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 19.