DE10361665B4 - Benzin-Direkteinspritzungs-System - Google Patents

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Abstract

Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System mit einer Luftleitung (25) zum Zuführen von Luft, einer Treibstoffleitung (18) zum Zuführen von Treibstoff, einer oder mehreren Injektorbaugruppen (33), von denen jede jeweils einem Zylinder zugeordnet ist und von denen jede, sowohl mit der Luftleitung (25) als auch mit der einen Treibstoffleitung (18) verbunden ist, zum Bilden eines Treibstoff-Luft-Gemisches und zum direkten Einspritzen des Treibstoff-Luft-Gemisches in den jeweiligen Zylinder eines Motors,
einem Luftzuführmittel zum Zuführen der Luft an die Luftleitung (25), welches aufweist: ein Drosselventil (21) zum Einstellen der Flussrate der zur Luftleitung (25) strömenden Ansaugluft, einen Luftkompressor (22) zum Komprimieren der von dem Drosselventil (21) kommenden Ansaugluft und ein Druckbegrenzungsventil (23), das zwischen den Luftkompressor (22) und die Luftleitung (25) geschaltet ist zum Begrenzen des Luftdrucks, und einem Treibstoffzuführmittel zum Zuführen des Treibstoffs an die eine Treibstoffleitung (18), welches aufweist:
eine Niedrigdruck-Treibstoffpumpe (14), welche mit der einen Treibstoffleitung (18) verbunden ist, zum Druckbeaufschlagen des zu...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System für einen Benzin-Direkteinspritzungsmotor (GDI Motor), und insbesondere ein System für einen Benzin-Direkteinspritzungsmotor, das die Einspritzung von einem Treibstoff-Luft-Gemisch in einen Zylinder eines Motors mit Effizienz ermöglicht.
  • Für Lastbedingungen, die für eine durchschnittliche Fahrt erforderlich sind, wird der Treibstoff spät während des Kompressionshubs eingespritzt und das Treibstoff-Luft-Gemisch wird über einen Wirrfluss geschichtet, der durch eine gewölbte Kolbenoberseite und einen aufrechten, geraden Einlass induziert wird, so dass eine ultra-magere Verbrennung realisiert wird.
  • Wenn der GDI Motor mit einer höheren Last oder bei einer höheren Geschwindigkeit arbeitet, findet die Treibstoffeinspritzung während des Einlasshubs statt und die Vergasung des Treibstoffs, die im Zylinder in einer späten Phase des Kompressionshubs auftritt, kühlt die Luft ab, für eine bessere, volumetrische Effizienz bei einem hohen Kompressionsverhältnis.
  • Der konventionelle GDI Motor hat eine Hochdruck-Treibstoffpumpe, die durch eine Nockenwelle betrieben wird, einen Hochdruck-Wirbelinjektor zum Verwirbeln des eingespritzten Treibstoffs, und aufrechte, gerade Einlässe, so dass die Luft und der Treibstoff effektiver gemischt werden können.
  • Jedoch hat der konventionelle GDI Motor eine komplizierte Struktur auf Grund von zusätzlichen Komponenten, wie etwa der Hochdruck-Treibstoffpumpe, dem Wirbelinjektor usw..
  • Ferner ist die Partikelgröße des eingespritzten Treibstoffs von dem Injektor etwa 50μm. Wenn der Treibstoff in der Nähe der Zündkerze eingespritzt wird, entstehen dadurch eine Befeuchtung der Zündkerze, eine Verschmutzung der Zündkerze und Karbonablagerungen, so dass die Motorleistung verschlechtert werden kann.
  • DE 198 43 175 A1 offenbart eine Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine. Diese Einrichtung umfasst eine Kraftstoff-Versorgungseinrichtung, eine Luft-Versorgungseinrichtung und einen Gemisch-Injektor, der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch direkt in einen Zylinder einspritzt.
  • DE 199 45 544 A1 offenbart ein Brennstoffzuführsystem für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Einblasventil, das ein Brennstoff-Luft-Gemisch direkt in einen Brennraum abgeben kann. Ferner ist zumindest ein weiteres Einspritzventil vorgesehen, welches bei bestimmten Betriebsbereichen zusätzlich Brennstoff in einen Luft-Ansaugbereich der Brennkraftmaschinen abgibt.
  • DE 100 43 384 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit innerer und äußerer Gemischbildung. Hierzu ist eine Kraftstoffzumessvorrichtung vorgesehen, welche pro Zylinder einen Mehrlochinjektor zur direkten Kraftstoffabgabe in den Zylinder und mindestens einen im Luft-Ansaugbereich angeordneten Injektor zur Kraftstoffabgabe in die zur Gemischbildung vorgesehene Verbrennungsluft umfasst.
    •
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System zu schaffen, das den Bereich für eine Ultra-mager-Verbrennung ausdehnt und einfacher gestaltet ist.
  • Gemäß der Erfindung wird dies durch ein Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System mit den Merkmalen in Anspruch 1 erzielt. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ein Diagramm eines hydraulischen Kreislaufs gemäß der Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine Schnittansicht von einer Injektorbaugruppe gemäß der Ausführungsform der Erfindung, und
  • 3 eine perspektivische Ansicht der Injektorbaugruppe aus 2.
  • Wie in 1 dargestellt, ist ein Treibstofftank 10 zum Aufbewahren von Treibstoff mit einer Hochdruck-Treibstoffpumpe 11 und einer Niedrigdruck-Treibstoffpumpe 14 ausgestattet. Bei Teillast (z.B. im Ultra-mager-Verbrennung-Modus), wenn die Lastbedingungen eine durchschnittliche Fahrt ermöglichen, beaufschlagt die Niedrigdruck-Treibstoffpumpe 14 den Treibstoff aus dem Tank 10 mit Druck und sendet ihn zum GDI Motor 30. Bei Volllast (z.B. im Höhere-Leistung-Modus), wenn der GDI Motor mit hoher Last oder bei hoher Geschwindigkeit arbeitet, beaufschlagt die Hochdruck-Treibstoffpumpe 11 den Treibstoff aus dem Tank 10 mit Druck und sendet ihn zum GDI Motor 30.
  • Ein erstes Druckbegrenzungsventil 13 begrenzt den Treibstoffdruck des Treibstoffs aus der Niedrigdruck-Treibstoffpumpe 14 und ein zweites Druckbegrenzungsventil 12 begrenzt den Treibstoffdruck des Treibstoffs aus der Hochdruck-Treibstoffpumpe 11. Ein erstes Rückschlagventil 16 und ein zweites Rückschlagventil 15 verhindern das Zurückfließen von Treibstoff, der von der Niedrigdruck-Treibstoffpumpe 14 bzw. von der Hochdruck-Treibstoffpumpe 11 ausgesendet wurde. Ferner ist die Druckgrenze zum Öffnen des ersten Druckbegrenzungsventils die gleiche wie die zum Öffnen des zweiten Druckbegrenzungsventils, damit die Niedrigdruck-Treibstoffpumpe und die Hochdruck-Treibstoffpumpe alternativ, vertauscht betrieben werden können.
  • Der Druck des Treibstoffs, der durch die Pumpen 11 bzw. 14 geliefert wird, wird von dem Treibstoffdruckdetektor 19 erfasst und der Treibstoffdruck wird von einem Treibstoffdruckregler 17 eingestellt, der seinerseits durch die ECU 40 basierend auf dem erfassten Treibstoffdruck gesteuert wird, und der Treibstoff wird einer Treibstoffleitung 18 zugeführt.
  • Zwischenzeitlich wird die Luftstromrate, die durch die Drosselklappe 21 je nach Stellung der durch die ECU 40 gesteuerten Drosselklappenposition festgelegt wird, von der ECU 40 gesteuert.
  • Ein Karbonbehälter 27 ist mit dem Treibstofftank 10 derart verbunden, dass in diesem verdampfter Treibstoff aufgefangen wird. Die Drosselklappe 21 und der Karbonbehälter 27 sind jeweils mit einem Luftkompressor 22 verbunden, sodass der Ansaugluftstrom der Drosselklappe 21 und der verdampfte Treibstoff aus dem Karbonbehälter 27 verdichtet werden und dann einer Luftleitung 25 zugeführt werden. Ein Absperrventil 28, das den Fluss des Treibstoffgases regelt, ist zwischen den Karbonbehälter 27 und den Kompressor 22 geschaltet.
  • Ein Luftdruckbegrenzungsventil 23 begrenzt den Luftdruck der Luft aus dem Luftkompressor 22 durch Umleiten des Luftüberschusses. Die durch den Luftkompressor 22 gesendete Druckluft wird von einem Luftdruckdetektor erfasst und der Luftdruck wird von dem Luftdruckregler 24 eingestellt, der seinerseits durch die ECU 40 basierend auf dem erfassten Druck gesteuert wird, und somit wird die Luft der Luftleitung 25 zugeführt.
  • Der Treibstoff, der der Treibstoffleitung 18 zugeführt wird, und die Luft, die der Luftleitung 25 zugeführt wird, werden in einer Mehrzahl von Injektorbaugruppen 33 gemischt, sodass das Treibstoff-Luft-Gemisch direkt in einen jeweiligen Zylinder eines Motors 30 eingespritzt wird.
  • Jede Injektorbaugruppe 33 weist einen Treibstoffinjektor 31 und einen Treibstoff-Luft-Injektor 32 auf. Der Treibstoffinjektor 31 ist mit der Treibstoffleitung 18 verbunden und spritzt den Treibstoff aus der Treibstoffleitung 18 in den Treibstoff-Luft-Injektor 32, während der Treibstoff-Luft-Injektor 32 sowohl mit dem Treibstoffinjektor 31 als auch mit der Luftleitung 25 verbunden ist, sodass der Treibstoff aus dem Treibstoffinjektor 31 und die Luft aus der Luftleitung 25 in ihm gemischt werden.
  • Die Mehrzahl von Injektorbaugruppen 33 wird durch einen Injektortreiber 50 gesteuert, der seinerseits an die ECU 40 angeschlossen ist, sodass der Injektortreiber 50 den Injektorzeitpunkt und die Menge des eingespritzten Treibstoff-Luft-Gemisches steuert. Vorzugsweise spritzen die Injektorbaugruppen 33, gesteuert durch den Injektortreiber 50, das Treibstoff-Luft-Gemisch in der Kompressionsphase in den jeweiligen Zylinder ein.
  • 2 und 3 illustrieren die Injektorbaugruppe 33.
  • Wie in 2 und 3 gezeigt, weist die Injektorbaugruppe 33 den Treibstoffinjektor 31 und den Treibstoff-Luft-Injektor 32 auf, wie oben beschrieben. Der Treibstoffinjektor 31 und der Treibstoff-Luft-Injektor 32 sind direkt hintereinander angeordnet und bilden damit eine Injektorbaugruppe 33, mit der jeder Zylinder des Motors 30 ausgestattet ist.
  • Der Treibstoff-Luft-Injektor 32 hat eine Kammer, in der der Treibstoff aus dem Treibstoffinjektor 31 und die Luft aus der Luftleitung 25 gemischt werden. Die Luft aus der Luftleitung 25 steht in der Kammer, sodass der Treibstoff und die Luft gemischt werden und der Treibstoff vergast wird, sobald der Treibstoff eingespritzt wird.
  • Das vergaste Treibstoff-Luft-Gemisch wird durch den Treibstoff-Luftinjektor 32 in den Zylinder eingespritzt, und zwar an dem Zeitpunkt, der von dem Injektortreiber 50 festgelegt wurde. Das in den Zylinder eingespritzte Treibstoff-Luft-Gemisch wird durch eine Zündkerze, die im Zylinder angebracht ist entzündet.
  • Vorzugsweise hat der zu dieser Erfindung passende Kolben eine Einbuchtung in seiner oberen Fläche zum Konzentrieren des Treibstoff-Luft-Gemisches nahe der Zündkerze, und die Injektorbaugruppe 33 ist aufrecht angeordnet und zeigt gerade hinunter in den Zylinder.
  • Gemäß dem Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System wird die Luft und der Treibstoff in der Injektorbaugruppe gemischt und das Treibstoff-Luft-Gemisch wird direkt in den Brennraum eingespritzt, sodass eine Befeuchtung der Zündkerze verhindert wird und der Bereich für eine Ultra-mager-Verbrennung kann ausgedehnt werden.
  • Ferner wird das Treibstoff-Luft-Gemisch direkt durch die Injektorbaugruppe 33 zugeführt, sodass die Konstruktion eines GDI Motors einfach wird und die spezifische Konstruktion zur Erzeugung eines wirrflusses nicht länger erforderlich ist.

Claims (5)

  1. Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System mit einer Luftleitung (25) zum Zuführen von Luft, einer Treibstoffleitung (18) zum Zuführen von Treibstoff, einer oder mehreren Injektorbaugruppen (33), von denen jede jeweils einem Zylinder zugeordnet ist und von denen jede, sowohl mit der Luftleitung (25) als auch mit der einen Treibstoffleitung (18) verbunden ist, zum Bilden eines Treibstoff-Luft-Gemisches und zum direkten Einspritzen des Treibstoff-Luft-Gemisches in den jeweiligen Zylinder eines Motors, einem Luftzuführmittel zum Zuführen der Luft an die Luftleitung (25), welches aufweist: ein Drosselventil (21) zum Einstellen der Flussrate der zur Luftleitung (25) strömenden Ansaugluft, einen Luftkompressor (22) zum Komprimieren der von dem Drosselventil (21) kommenden Ansaugluft und ein Druckbegrenzungsventil (23), das zwischen den Luftkompressor (22) und die Luftleitung (25) geschaltet ist zum Begrenzen des Luftdrucks, und einem Treibstoffzuführmittel zum Zuführen des Treibstoffs an die eine Treibstoffleitung (18), welches aufweist: eine Niedrigdruck-Treibstoffpumpe (14), welche mit der einen Treibstoffleitung (18) verbunden ist, zum Druckbeaufschlagen des zu der einen Treibstoffleitung (18) geführten Treibstoffs bei Teillast, eine Hochdruck-Treibstoffpumpe (11), welche mit der einen Treibstoffleitung (18) verbunden ist, zum Druckbeaufschlagen des zu der einen Treibstoffleitung (18) geführten Treibstoffs bei Volllast.
  2. Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System nach Anspruch 1, wobei das Treibstoffzuführmittel ferner aufweist: ein erstes Rückschlagventil (15), das einen Rückfluss von dem Treibstoff verhindert, der durch die Hochdruck-Treibstoffpumpe (11) mit Druck beaufschlagt wurde, und ein zweites Rückschlagventil (16), das einen Rückfluss von dem Treibstoff verhindert, der durch die Niedrigdruck-Treibstoffpumpe (14) mit Druck beaufschlagt wurde.
  3. Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System nach Anspruch 1, wobei die Injektorbaugruppe aufweist: einen Treibstoffinjektor (31), der mit der einen Treibstoffleitung (18) verbunden ist und der den von der einen Treibstoffleitung (18) zugeführten Treibstoff einspritzt, und einen Treibstoff-Luft-Injektor (32), der sowohl mit dem Treibstoffinjektor (31) als auch mit der Luftleitung (25) verbunden ist, sodass der Treibstoff vom Treibstoffinjektor (31) und die Luft aus der Luftleitung (25) gemischt werden, um als Treibstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder des Motors eingespritzt zu werden.
  4. Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System nach Anspruch 3, wobei die Treibstoffeinspritzung und die Treibstoff-Luft-Einspritzung durch einen Injektortreiber (50) gesteuert werden, der seinerseits an eine ECU (40) des Motors angeschlossen ist.
  5. Benzin-Direkteinspritzungsmotor-System nach Anspruch 4, wobei der Injektortreiber (50) den Treibstoff-Luft-Injektor (32) derart steuert, das dieser das Treibstoff-Luft-Gemisch in der Kompressionsphase einspritzt.
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