DE19642653C1 - Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches - Google Patents
Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-GemischesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines
zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in einer direktein
spritzenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Aus der DE 43 24 642 A1 ist bereits eine direktein
spritzende Brennkraftmaschine bekannt, bei der in jedem Zy
linder von einem Kolben ein Brennraum begrenzt ist, in den
ein zentral im Brennraumdach angeordneter Injektor Kraft
stoff zur inneren Bildung eines zündfähigen Kraft
stoff/Luft-Gemisches einspritzt. Die Elektroden einer Zünd
kerze ragen in der Nähe der Düsenöffnung des Injektors in
den Kraftstoffstrahl ein, wodurch im Niedriglastbereich der
Brennkraftmaschine mit Schichtladung die stabile Verbren
nung eines insgesamt mageren Gemisches durch Zündung eines
fetteren Gemisches in der Nähe der Elektroden der Zündkerze
erfolgt, welches durch Einspritzung von Kraftstoff in einer
späteren Phase des Verdichtungshubes des Kolbens bereitge
stellt ist. Die Brennkraftmaschine umfaßt eine elektro
nische Steuereinheit, welche die von dem Injektor einge
spritzte Kraftstoffmenge und den Einspritzzeitpunkt sowie
den Zündzeitpunkt der Zündkerze betriebspunktoptimal
steuert, wodurch die Verbrennungscharakteristik über die
festgelegten Faktoren wie Einspritzdruck, Form und Größe
der Düsenöffnung, Brennraumform, Verdichtungsverhältnis
usw. hinaus beeinflußbar ist.
Diese Variationsmöglichkeiten der Einspritzparameter rei
chen jedoch unter vielen Betriebsbedingungen der Brenn
kraftmaschine nicht aus, um bei Schichtladungsbetrieb über
weite Bereiche des Kennfeldes der Brennkraftmaschine die
Optimierung der inneren Gemischbildung mit geringem Kraft
stoffverbrauch und Emissionen zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bil
dung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in direkt
einspritzenden Brennkraftmaschinen bereitzustellen, welches
unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die
Optimierung der inneren Gemischbildung in jedem Betriebs
punkt, insbesondere im Schichtladungsbetrieb ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1
gelöst.
Indem bei der Kraftstoffeinspritzung der Öffnungshub des
Ventilgliedes relativ zum Ventilsitz eines Injektors und
die Einspritzzeit variabel einstellbar sind, sind mehrere
Vorteile erzielt. Grundsätzlich ist es möglich, mit einem
entsprechenden Öffnungshub des Ventilgliedes eine bestimmte
Kraftstoffmenge während einer variablen Dauer der Ein
spritzzeit in den Brennraum einzuspritzen und damit die
innere Gemischbildung, d. h. im Schichtladungsbetrieb die
Kraftstoffkonzentration bzw. die Luftverhältnisse (Lambda-
Werte) der durch den eingespritzten Kraftstoffstrahl im
Brennraum gebildeten Gemischwolke, über den Faktor der Ein
spritzzeit zu steuern. Dabei wird der Kraftstoff vom In
jektor vorteilhaft in einem sich aufweitenden Kegelstrahl
in den Brennraum eingespritzt, wodurch abhängig von dem
Einspritzzeitpunkt im Schichtladungsbetrieb der Brennkraft
maschine eine Gemischwolke mit unterschiedlichen Lambda-
Werten entsprechend dem Einspritzwinkel des Kegelstrahls im
Brennraum ausgebildet ist. Durch die Variationsmöglichkei
ten des Öffnungshubes des Ventilgliedes ist der Einspritz
winkel des Kegelstrahls ebenfalls variabel einstellbar.
Vorteilhaft ist der Einspritzwinkel des Kegelstrahls mit
zunehmendem Öffnungshub des Ventilgliedes größer, wodurch
die Strahlcharakteristik des Kegelstrahls, welche bei ein
zelnen Injektoren unterschiedlich sein kann, zur Erzielung
eines optimalen Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine
anpaßbar ist. Die unterschiedlichen Strahlcharakteristiken
treten aufgrund von Streuungen in der Serienfertigung von
Injektoren oder auch Zylinderköpfen usw., aber auch auf
grund von Verschleiß oder Ablagerungen mit zunehmender Be
triebszeit der Brennkraftmaschine auf und können z. B. durch
Strahlsträhnigkeit zu für die Entzündung ungünstigen
Lambda-Werten vor allem im Bereich der Zündkerze durch eine
ungünstige Lage der Gemischwolke im Brennraum führen. Der
variabel einstellbare Öffnungshub des Ventilgliedes ermög
licht in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch
die Einspritzung mit einem geeigneten Einspritzwinkel die
Bereitstellung des zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches an
den Elektroden der Zündkerze.
Mit Vorteil ist der Öffnungshub des Ventilgliedes jedes
Zylinders individuell einstellbar, so daß mit gegebenen
falls unterschiedlichen Einspritzwinkeln die Strahl
charakteristiken der einzelnen Injektoren in den Zylindern
zur Erzielung eines optimalen Betriebsverhaltens der
Brennkraftmaschine optimal anpaßbar sind.
Vorteilhaft ist der Öffnungshub des Ventilgliedes während
des Einspritzvorganges verstellbar, wodurch eine dynamische
Beeinflussung des Einspritzwinkels und auch des Kraftstoff-
Massenstromes durch die Düsenöffnung möglich ist. Die Ver
größerung des Einspritzwinkels während der Einspritzung er
reicht eine freie Wählbarkeit des Brennbeginns, indem zu
diesem Zeitpunkt brennbares Gemisch in den Bereich der
Elektroden der Zündkerze gebracht ist. Die Benetzung der
Elektroden mit Kraftstoff und in der Folge die Verkokung
durch Verbrennung des Kraftstoffes sind minimiert und somit
ist die Lebensdauer der Zündkerze erhöht. Die Verkleinerung
des Öffnungshubes des Ventilgliedes und somit die Ver
ringerung des Kraftstoff-Massenstromes durch die Düsen
öffnung erlaubt im Gegensatz zu einem konstanten Kraft
stoff-Massenstrom bei gleichbleibendem Öffnungshub des Ven
tilgliedes, wo in der Gemischwolke in den düsenfernen Be
reichen magere Gemische mit hohen Lambda-Werten und in den
düsennahen Bereichen fette Gemische mit geringen Lambda-
Werten ausgebildet sind, die Ausbildung von Gemischwolken
mit optimalen Lambda-Gradienten oder auch annähernd kon
stanten Luftverhältnissen.
Die Einstellung des Öffnungshubes des Ventilgliedes und der
Einspritzzeit erfolgt zum verbrauchs- und emissions
optimierten Betrieb der Brennkraftmaschine unter Zugrunde
legung der für den jeweils vorliegenden Betriebspunkt in
einem Einspritzkennfeld abgelegten Einstellungsparametern
des Öffnungshubes und der Einspritzzeit. Im Betrieb der
Brennkraftmaschine mit den eingestellten Parametern des
Öffnungshubes des Ventilgliedes und der Einspritzzeit wer
den Motorparameter, z. B. die Laufruhe der Brennkraftmaschi
ne, gemessen und mit den für den jeweils vorliegenden Be
triebspunkt der Brennkraftmaschine in einem Motorkennfeld
abgelegten Sollwerten verglichen. Abweichungen der gemes
senen Motorparameter von den abgelegten Sollwerten können
z. B. bei der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine
infolge Serienstreuung bei der Fertigung der an der Ein
spritzung beteiligten Bauteile oder auch nach einem langen
Betriebszeitraum durch Verschleiß oder Ablagerungen auftre
ten. Ist die Laufruhe der Brennkraftmaschine unzufrieden
stellend, so erfolgt eine Variation des Öffnungshubes des
Ventilgliedes bis ein optimales Betriebsverhalten mit Über
einstimmung der gemessenen Motorparameter und der Sollwerte
des Motorkennfeldes erreicht ist. Die ermittelten Ideal
parameter werden im Einspritzkennfeld abgelegt und ersetzen
die bisherigen Einstellungsparameter für diesen Betriebs
punkt, wobei im Fall des wiederholten Anfahrens dieses Be
triebspunktes die nunmehr abgelegten Idealparameter der
Einstellung des Öffnungshubes des Ventilgliedes und der
Einspritzzeit zugrunde gelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur inneren
Gemischbildung in Otto-Brennkraftmaschinen geeignet. Dabei
beträgt der Öffnungshub des Ventilgliedes vorteilhaft maxi
mal 0,1 mm, wodurch infolge geringer Hubwege bei großem
Kraftstoff-Durchsatz durch die Ventilöffnung kurze Öff
nungszeiten ermöglicht sind. Im Schichtladungsbetrieb der
Brennkraftmaschine ist der Öffnungshub des Ventilgliedes
zwischen etwa 0,02 mm und etwa 0,06 mm einstellbar und er
möglicht die Ausbildung von Gemischwolken im Brennraum mit
unterschiedlichsten Luftverhältnissen, wodurch eine ver
brauchs- und emissionsoptimierte Schichtverbrennung durch
führbar ist. Der vom Öffnungshub des Ventilgliedes ab
hängige Einspritzwinkel des Kegelstrahls beträgt vorteil
haft zwischen etwa 70° und 100° und stellt sicher, daß
außerhalb der Kernzone des Brennraums angeordnete Elektro
den einer Zündkerze im Schichtladungsbetrieb in die Ge
mischwolke einragen und bei geringfügigen Ablagerungen in
folge Kraftstoff-Benetzung zuverlässig zünden. Der Faktor
der Einspritzzeit während der Freigabe der Düsenöffnung des
Injektors erlaubt in jedem Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine durch Einspritzung einer bestimmten
Kraftstoffmenge mit einem spezifischen Öffnungshub des
Ventilgliedes die Steuerung der inneren Gemischbildung,
d. h. im Schichtladebetrieb die Luftverhältnisse der
Gemischwolke. Erfolgen in einem Arbeitsspiel des Kolbens
mehrere Kraftstoff-Einspritzungen in den Brennraum, so ist
eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der inneren
Gemischbildung gegeben.
Das Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraft
stoff/Luft-Gemisches in einer direkteinspritzenden Brenn
kraftmaschine ist beispielsweise durch Verwendung des In
jektors durchführbar, welcher Gegenstand der deutschen Pa
tentanmeldung DE 195 48 526.2 ist.
Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung sind
nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 einen Zylinderquerschnitt einer direkteinspritzen
den Brennkraftmaschine,
Fig. 2 einen Querschnitt eines Injektors,
Fig. 3 ein Flußdiagramm der Steuerung eines Injektors,
Fig. 4 in einem Diagramm die Einstellungsparameter des In
jektors in Abhängigkeit von der Motordrehzahl,
Fig. 5 in einem Diagramm die Einstellungsparameter des In
jektors in Abhängigkeit von der Abgasrückführungs
rate bzw. der Drosselung der Brennkraftmaschine,
Fig. 6 in einem Diagramm die Einstellungsparameter des In
jektors in Abhängigkeit von der Aufladung der
Brennkraftmaschine,
Fig. 7 in einem Diagramm den Einspritzwinkel des Kegel
strahls in Abhängigkeit vom Öffnungshub,
Fig. 8 in einem Diagramm die Veränderung des Einspritzwin
kels während der Einspritzzeit,
Fig. 9 in einem Diagramm den Durchsatz der Düsenöffnung in
Abhängigkeit vom Öffnungshub,
Fig. 10 in einem Diagramm die Änderung des Öffnungshubes
während der Einspritzdauer.
Fig. 1 zeigt einen Zylinder 2 einer direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine 1, in dem ein längsbeweglich angeordne
ter Kolben 3 mit einem den Zylinder 2 verschließenden Zy
linderkopf 28 einen Brennraum 4 begrenzt. In zentraler Lage
auf der Längsachse 24 des Zylinders 2 durchsetzt ein In
jektor 5 den Zylinderkopf 28 und ist mit seiner Düsen
öffnung 6 durch ein sich kegelig erweiterndes Brennraumdach
29 in den Brennraum 4 geführt. Eine Steuereinheit (nicht
dargestellt) bestimmt spezifisch für jeden Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine 1 den zur Stellung des Kolbens 3 im
Zylinder 2 gehörigen Zeitpunkt der Freigabe der Düsen
öffnung 6, ab dem Kraftstoff in einem Kegelstrahl 9 in den
Brennraum 4 eingespritzt wird. Der Einspritzwinkel α des
Kegelstrahls 9 ist dabei bestimmt durch den Öffnungshub
eines Ventilgliedes in der Düsenöffnung 6. Im Brennraum 4
ist mit der durch einen Einlaßkanal 12 im Zylinderkopf 28
zuführbaren Frischluft und dem eingespritzten Kraftstoff
ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch bildbar, welches im
Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoff
einspritzung im Kompressionshub des Kolbens 3 in Form einer
mit dem Öffnungswinkel α des Kegelstrahls 9 ausgebildeten
Gemischwolke 10 vorliegt, welche sektional unterschiedliche
Luftverhältnisse (Lambda-Werte) aufweist.
Eine Zündkerze 11 ragt den Zylinderkopf 28 durchsetzend
durch einen Kegelschenkel des Brennraumdaches 29 derart in
den Brennraum 4, daß die Elektroden in die Gemischwolke 10
einstechen und durch Auslösung eines Zündfunkens die Ge
mischwolke 10 am Rand entzünden. Liegt durch Strähnigkeit
des Kegelstrahls 9 oder infolge von Serienstreuung des
Injektors 5, der Düsenöffnung 6, des Zylinderkopfes 28 usw.
oder durch Verschleiß oder Ablagerungen auf den Elektroden
der Zündkerze 11 oder auf der Düsenöffnung 6 an den
Elektroden der Zündkerze 11 kein zündfähiges Gemisch vor,
so kann durch Veränderung des Einspritzwinkels α die Lage
der Gemischwolke 10 im Brennraum 4 verändert werden und an
den Elektroden ein zündfähiges Gemisch bereitgestellt
werden.
Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt den schematischen Aufbau
eines Injektors 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur inneren Gemischbildung. In einem zylindrisch
um eine Längsachse 24 ausgebildeten Injektorgehäuse 15 ist
eine Kraftstoffkammer 13 ausgebildet, welche von einem Ven
tilschaft 17 durchsetzt ist. Der Ventilschaft 17 endet in
einem kegelig bzw. konisch ausgebildeten Ventilglied 7,
welches von außen an einem Ventilsitz 8 in der Laibung
einer Düsenöffnung 6 anliegt. Bei axialer Verschiebung des
Ventilschaftes 17 hebt sich das Ventilglied 7 von dem Ven
tilsitz 8 ab, wodurch dieses die Düsenöffnung 6 zum Auslaß
des in der Kraftstoffkammer 13 unter Druck stehenden Kraft
stoffes freigibt. Der Öffnungshub des Ventilgliedes 7 und
die Dauer der Freigabe der Düsenöffnung 6 (Einspritzzeit)
bestimmt dabei im Rahmen der inneren Gemischbildung sowohl
den Kraftstoffdurchsatz durch die Düsenöffnung 6 und die
gesamte Einspritzmenge als auch den Einspritzwinkel des von
der Düsenöffnung 6 ausgehenden Kegelstrahls, welcher
insbesondere die Gemischbildung im Schichtladungsbetrieb
der Brennkraftmaschine durch Ausbildung einer Gemischwolke
im Brennraum beeinflußt.
Dem Ventilglied 7 gegenüberliegend ist der Ventilschaft 17
unter Ausbildung einer breiten Ringschulter 19 mit einem
Druckkolben 27 verbunden, welcher von einem nach innen ge
richteten und die Kraftstoffkammer 13 begrenzenden Füh
rungsabschnitt 33 des Injektorgehäuses 15 geführt ist. Der
Druckkolben 27 ragt dabei in einen auf der der Kraftstoff
kammer 13 gegenüberliegenden Seite des Führungsabschnittes
33 im Injektorgehäuse 15 ausgebildeten Elongationsraum 16
ein, in dem eine mechanische Wandlervorrichtung für
elektrische Impulse angeordnet ist. Die Wandlervorrichtung
kann z. B. ein Piezoelement 23 sein, welches am in den
Elongationsraum 16 einragenden Endabschnitt des Druckkol
bens 27 formschlüssig anliegt und bei Anlegen einer
elektrischen Spannung durch die eigene Elongation den
Druckkolben 27 verschiebt und infolge dessen die Düsen
öffnung 6 zur Abspritzung von Kraftstoff aus der Kraft
stoffkammer 13 freigibt. Die Elongation des Piezoelementes
23 ist gemäß dem piezoelektrischen Effekt proportional der
angelegten Spannung, wodurch der Öffnungshub des Ventil
gliedes 7 durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen
Spannung exakt steuerbar und variabel einstellbar ist.
Zum Verschließen der Düsenöffnung 6 wird die elektrische
Spannung am Piezoelement 23 reduziert, welches sich infolge
dessen verkürzt. Eine Druckfeder 18 in der Kraftstoffkammer
13, welche sich an der Ringschulter 19 des Druckkolbens 27
einerseits sowie an der Innenseite des Injektorgehäuses 15
benachbart der Düsenöffnung 6 andererseits abstützt, wird
das Ventilglied 7 in den Ventilsitz 8 zurückgedrängt. Ist
die Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritz
system ausgerüstet, wobei die Kraftstoffkammer 13 über die
Kraftstoffzuleitung im Injektorgehäuse 15 unter hohem Druck
steht, so wird die das Ventilglied 7 in den Ventilsitz 8
zum Schließen der Düsenöffnung 6 drängende Rückstellkraft
dadurch aufgebracht, daß der Druckkolben 27 einen größeren
Durchmesser aufweist als die Düsenöffnung 6. Die größere,
druckbeaufschlagte Fläche des Druckkolbens 27 bewirkt eine
Verschiebung des Druckkolbens 27 mit dem Ventilschaft 17 in
Schließstellung. Die zur Steuerung des Öffnungshubes des
Ventilgliedes 7 notwendigen elektrischen Spannungen sind um
den Betrag einer elektrischen Spannung höher, welche zur
Überwindung der in der Kraftstoffkammer 13 auf den Druck
kolben 27 durch die Differenzdruckfläche ausgeübten Druck
kraft notwendig ist, welche das Ventilglied in die Ver
schließstellung drängt.
In Fig. 3 ist schematisch der Ablauf der Steuerung des
Öffnungshubes eines Ventilgliedes und der Einspritzzeit zur
optimalen Gemischbildung in jedem Betriebspunkt einer
Brennkraftmaschine durch eine Injektorsteuerung 25 darge
stellt. Für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine,
welcher durch die Drehzahl n und die Last L bestimmt ist,
sind in einem Einspritzkennfeld 20 die jeweils optimalen
Einstellungsparameter 21 des Öffnungshubes des Ventilglie
des und der Einspritzzeit abgelegt. Bei Anfahren eines be
liebigen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine werden die
entsprechenden Einstellungsparameter 21 dem Kennfeld 20
entnommen und von der Injektorsteuerung 25 der Einstellung
des Öffnungshubes und der Einspritzzeit bei der Kraftstoff-
Einspritzung für einen verbrauchs- und emissionsoptimierten
Betrieb der Brennkraftmaschine zugrunde gelegt. Die im Ein
spritzkennfeld 20 abgelegten Einstellungsparameter 21 meh
rerer Injektoren verschiedener Zylinder einer mehrzylindri
gen Brennkraftmaschine können unterschiedlich sein und füh
ren dabei zu zylinderspezifischen Gemischbildungen in den
einzelnen Brennräumen. Nach der Einstellung des Injektors
durch die Injektorsteuerung 25 werden Motorparameter 31 ge
messen, z. B. die Laufruhe der Brennkraftmaschine, und mit
in einem Motorkennfeld 30 abgelegten, betriebspunktspezifi
schen Sollwerten 32 in einer Reglereinheit 26 verglichen.
Weichen die gemessenen Motorparameter 31 von dem im Motor
kennfeld 30 abgelegten Sollwerten 32 ab, d. h. die Laufruhe
der Brennkraftmaschine ist nicht zufriedenstellend, veran
laßt die Reglereinheit 26 eine Variation der Einstellungs
parameter 21, welche in den folgenden Arbeitsspielen der
Brennkraftmaschine von der Injektorsteuerung 25 der Ein
stellung der Injektoren zugrunde gelegt werden. Ist nach
fortlaufendem Vergleich gemessener Motorparameter 31 mit
den Sollwerten 32 des Motorkennfeldes 30 schließlich bei
optimalem Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine eine
Übereinstimmung erreicht, so endet die Parametervariation
der Reglereinheit 26. Die ermittelten Idealparameter 22 für
eine optimale Gemischbildung in dem spezifischen Betriebs
punkt der Brennkraftmaschine werden im Einspritzkennfeld 20
abgelegt und ersetzen die bisherigen Einstellungsparameter
21 für diesen Betriebspunkt, wodurch beim nächsten Anfahren
dieses Betriebspunktes der Brennkraftmaschine die korri
gierten Idealparameter 22 der Injektorsteuerung 25 bereit
stellbar sind.
Derartige Korrekturen der Einstellungsparameter 21 können
zum Beispiel bei erster Inbetriebnahme der Brennkraftma
schine nötig sein aufgrund von Streuungen in der Serien
fertigung von Injektoren, Zylinderköpfen usw., welche im
Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine die Ausbildung
einer idealen Gemischwolke durch Beeinflussung des Kraft
stoff-Kegelstrahls verhindern, oder auch aufgrund von Ver
änderungen des Kegelstrahlverhaltens infolge von Verschleiß
oder Ablagerungen mit zunehmender Betriebsdauer der Brenn
kraftmaschine. Bei der Korrektur der Einstellungsparameter
21 führt dabei eine Erhöhung des Öffnungshubes zu einer
Vergrößerung des Einspritzwinkels des Kegelstrahls. Im
Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine sind dadurch
Abweichungen der Luftverhältnisse (Lambda-Werte) und der
Brennraumlage der Gemischwolke von den Einstellungswerten
für eine optimale Gemischbildung ausgleichbar. Die Überprü
fung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine, d. h.
das Vergleichen der gemessenen Motorparameter 31 (Laufruhe)
mit den Sollwerten 32 des Motorkennfeldes 30, kann während
der Laufzeit der Brennkraftmaschine kontinuierlich oder in
vorgegebenen Intervallen erfolgen.
In Fig. 4 sind in einem Diagramm die Einstellungsparameter
des Öffnungshubes und der Einspritzzeit in Abhängigkeit von
der Drehzahl einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraft
maschine dargestellt. Im Schichtladungsbetrieb der Brenn
kraftmaschine beeinflußt die Drehzahl die Lage der Gemisch
wolke im Brennraum, so daß zum Erreichen einer optimalen
Gemischbildung im gesamten Kennfeld die Einstellungspara
meter Öffnungshub bzw. Einspritzzeit angepaßt werden müs
sen. Die Gemischaufbereitung erfolgt dabei mit steigender
Drehzahl durch exponentielle Erhöhung des Öffnungshubes bei
linearer Reduzierung der Einspritzzeit. Bei einem Be
triebspunkt mit einer Drehzahl von 2000 U/min beträgt die
optimale Einspritzzeit etwa 0,75 ms bei einem Öffnungshub
von 0,02 mm, während bei einer Drehzahl von 6000 U/min die
optimalen Einstellungsparameter 0,375 ms Einspritzzeit und
0,03 mm Öffnungshub sind.
In Fig. 5 ist in einem Diagramm der Verlauf der Ein
stellungsparameter für die optimale Gemischbildung im Kenn
feld einer Brennkraftmaschine dargestellt, in deren Brenn
raum eine reduzierte Sauerstoffkonzentration vorliegt.
Unter diesen Betriebsverhältnissen arbeitet eine Brenn
kraftmaschine dann, wenn eine Abgasrückführung vorgesehen
ist oder eine Teildrosselung zum Beispiel zum Freibrennen
des Brennraumes oder zur Verbesserung der Bedingungen zur
Abgasnachbehandlung. Der reduzierte Frischluft-Massenstrom
sowie dessen Temperatur und auch die veränderten Druckver
hältnisse im Brennraum erfordern eine Anpassung der Ge
mischbildung durch Veränderung der Einspritzparameter im
Kennfeld. Dabei wird mit zunehmender Abgasrückführungsquote
bzw. Teildrosselung die Einspritzzeit linear erhöht und der
Öffnungshub invers exponentiell reduziert. Im Betriebspunkt
ohne Abgasrückführung bzw. im ungedrosselten Betrieb betra
gen die optimalen Einstellungsparameter 0,25 ms Einspritz
zeit und 0,06 mm Öffnungshub, während im Betriebspunkt mit
einer Abgasrückführungsquote bzw. einer Teildrosselung von
50% die Einspritzzeit 0,5 ms und der Öffnungshub 0,025 mm
beträgt.
Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die optimalen Einstellungs
parameter im Kennfeld einer aufgeladenen Brennkraftmaschi
ne, bei der es wichtig ist, den eingespritzten Kraftstoff
in einem kleinen Brennraumbereich zu verteilen. Dement
sprechend wird mit steigender Aufladung der Öffnungshub ex
ponentiell vergrößert und die Einspritzzeit linear redu
ziert, wodurch im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine
eine Gemischwolke mit optimalen Lambda-Werten gebildet ist.
Der Öffnungshub wird dabei von 0,02 mm bei 0% Aufladung
bis auf etwa 0,025 mm bei 50%iger Aufladung der Maschine
gesteigert, während die Einspritzzeit im selben Kennfeldbe
reich von 0,75 ms auf etwa 0,6 ms reduziert ist.
Fig. 7 zeigt in einem Diagramm die Erhöhung des Einspritz
winkels eines Kraftstoff-Kegelstrahls von etwa 75° bis etwa
90° mit zunehmendem Öffnungshub eines Ventilgliedes beim
freigebenden Abheben von einem Ventilsitz in der Düsen
öffnung eines Injektors von etwa 0,03 mm auf 0,06 mm. Da
durch kann sichergestellt werden, daß in jedem Betriebs
punkt der Brennkraftmaschine im Schichtladungsbetrieb den
Elektroden einer in den Brennraum einragenden Zündkerze ein
zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch zur Zündung bereitge
stellt ist. Nach Einspritzende bewegt sich die Gemischwolke
im Brennraum in Richtung des Kolbenbodens, so daß die Ge
fahr der Gemischabmagerung im Bereich der Elektroden auf
nicht zündfähige Lambda-Werte besteht. Um bei geringer,
Verkokung verursachender Kraftstoff-Benetzung der Elektro
den zu einem bestimmbaren Zeitpunkt brennbares Gemisch in
den Bereich der Elektroden zu bringen und damit den Zünd
zeitpunkt zu wählen, ist, wie in Fig. 8 graphisch darge
stellt, vorgesehen, während der Einspritzzeit den Ein
spritzwinkel durch Erhöhung des Öffnungshubes kurzzeitig zu
vergrößern. Durch die dynamische Veränderung des Einspritz
winkels während der Einspritzzeit liegt kurzzeitig ein fet
tes Kraftstoff/Luft-Gemisch an den Elektroden vor, welches
zur Zündung vorgesehen ist. Außerhalb des Zündintervalls
mit großem Einspritzwinkel von etwa 90° ergibt sich während
der Einspritzzeit durch den kleinen Einspritzwinkel von
etwa 80° Elektroden mit Kraftstoff und somit eine
Reduzierung von Ablagerungen.
Fig. 9 veranschaulicht in einem Diagramm die invers ex
ponentiell erhöhte Durchflußrate einer freigegebenen Düsen
öffnung in Abhängigkeit von dem zunehmenden Öffnungshub des
Ventilgliedes. Bei einem konstanten Öffnungshub, wodurch
ein gleichmäßiger Kraftstoff-Massenstrom in den Brennraum
eingespritzt würde, läge im Schichtladungsbetrieb der
Brennkraftmaschine in der gebildeten Gemischwolke in den
düsennahen Bereichen ein relativ fettes Kraftstoff/Luft-Ge
misch und in den düsenfernen Bereichen ein relativ mageres
Gemisch vor. Um ein Abmagern der Gemischwolke in den dü
senfernen Bereichen und somit eine nicht vollständige Oxi
dation des Kraftstoffes infolge von zu hohem Luftüberschuß
zu verhindern, ist vorgesehen, während der Einspritzung den
Kraftstoff-Massenstrom durch die Düsenöffnung zu reduzie
ren. Dies erfolgt, wie in Fig. 10 dargestellt, durch dyna
mische Verkleinerung des Öffnungshubes von etwa 0,06 mm zu
Beginn der Kraftstoff-Einspritzung auf 0,02 mm am Ende der
Kraftstoff-Einspritzung kurz vor dem Schließen der Düsen
öffnung. Die Verkleinerung des Öffnungshubes erfolgt dabei
während der Kraftstoff-Einspritzung invers exponentiell,
wodurch der Großteil einer zugemessenen Kraftstoffmenge mit
einer hohen Durchflußrate durch die Düsenöffnung zu Beginn
der Einspritzzeit in den Brennraum eingespritzt wird.
Claims (12)
1. Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraft
stoff/Luft-Gemisches in den Zylindern (2) einer direkt
einspritzenden Brennkraftmaschine (1), wobei in jeden
von einem Kolben (3) begrenzten Brennraum (4) mittels
eines Injektors (5) bei Freigabe einer Düsenöffnung (6)
durch Abheben eines Ventilgliedes (7) von einem die Dü
senöffnung (6) umfassenden Ventilsitz (8) Kraftstoff
eingespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil
gliedes (7) und die Einspritzzeit variabel einstellbar
sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil
gliedes (7) während des Einspritzvorganges verstellbar
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil
gliedes (7) jedes Zylinders (2) individuell einstellbar
ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (5) den Kraft
stoff in einem sich aufweitenden Kegelstrahl (9) in den
Brennraum einspritzt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstrahl (9) im
Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) eine
kegelförmige, Kraftstoff/Luft-Gemisch führende Gemisch
wolke (10) mit von der Einstellung des Öffnungshubes
des Ventilgliedes (7) abhängigen Luftverhältnissen aus
bildet, in die die Elektroden einer Zündkerze (11) ein
ragen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzwinkel (α) des
Kegelstrahls (9) mit zunehmendem Öffnungshub des Ven
tilgliedes (7) größer ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Öff
nungshubes des Ventilgliedes (7) und die Einspritzzeit
in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) unter
Zugrundelegung von für den jeweils vorliegenden Be
triebspunkt in einem Einspritzkennfeld abgelegten Ein
stellungsparametern erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichung der gemes
senen Motorparameter (31) von in einem Motorkennfeld
(30) abgelegten Sollwerten (32) im jeweiligen Betriebs
punkt der Brennkraftmaschine (1) bei jeder Einspritzung
eine Variation des Öffnungshubes des Ventilgliedes (7)
erfolgt, bis ein optimales Betriebsverhalten mit Über
einstimmung der gemessenen Motorparameter (31) und der
Sollwerte (32) des Motorkennfeldes (30) erreicht ist,
wobei die ermittelten Idealparameter (22) die bis
herigen Einstellungsparameter (21) ersetzend im Ein
spritzkennfeld (20) abgelegt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil
gliedes (7) maximal 0,1 mm beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß im Schichtladungsbetrieb
der Brennkraftmaschine (1) der Öffnungshub des Ventil
gliedes (7) zwischen etwa 0,02 mm und etwa 0,06 mm ein
stellbar ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzwinkel (α) des
Kegelstrahls (9) abhängig vom Öffnungshub des Ventil
gliedes (7) zwischen etwa 70° und 100° beträgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Arbeitsspiel des
Kolbens (3) mehrere Einspritzungen erfolgen.
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