DE19956134A1 - Kraftstoffeinspritzanlage für eine mit Fremdzündung arbeitende Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine mit Fremdzündung arbeitende Hubkolbenbrennkraftmaschine wird vorgeschlagen, den zur Zuführung eines Kraftstoff-Luftgemisches auf den Brennraum verwendeten Injektor so auszubilden, dass dessen Mündungsöffnung in ihrem freien Querschnitt über das Sperrglied des Injektors stufenlos einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage für eine mit Fremdzündung arbeitende Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine Kraftstoffeinspritzanlage der vorgenannten Art ist aus der EP 242 370 B1 bekannt und es wird bei dieser bekannten Lösung über die auf den Brennraum der Brennkraftmaschine ausmündende Öffnung des Injektors Druckluft ausgeblasen, der in dem der Mündungsöffnung vorgelagerten Injektorraum Kraftstoff beige­ mischt wird, welcher über ein Niederdrucksystem bei gegenüber dem Luftdruck höherem Druckniveau des Kraftstoffes in den In­ jektorraum eingebracht wird. Die Mündungsöffnung des Injektors ist über ein Sperrglied absperrbar, das über einen als Stellan­ trieb dienenden Elektromagneten betätigt wird und der Strahl­ winkel, unter dem das Kraftstoff-Luftgemisch in den Brennraum eingebracht wird, wird über die Geometrie der Mündungsöffnung und des dieser zugeordneten Sperrgliedes bestimmt, wobei das Sperrglied eine Öffnungs- und eine Schliesslage hat und in der Öffnungslage den Übertrittsquerschnitt für den Eintritt des Kraftstoff-Luftgemisches in den Brennraum freigibt.

Eine solche Kraftstoffeinspritzanlage weiter zu verfeinern und damit die Vorteile eines mit Zuführung eines Kraftstoff- Luftgemisches über einen Injektor arbeitenden Systemes für eine verbesserte Gemischbildung im Brennraum der Brennkraftmaschine über deren gesamten Arbeitsbereich, insbesondere im Hinblick auf eine Verbrennung mit minimalen Abgasemmissionen nutzen zu können, liegt der Erfindung als vorrangige Aufgabe zugrunde.

Ausgangspunkt hierfür ist die Lösung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1, denen zufolge das Sperrglied stufenlos einstell­ bar ist, wobei eine solche stufenlose Einstellbarkeit durch die Ausgestaltung des Stellantriebes als Piezoaktuator erreicht wird. Mit der stufenlosen Einstellbarkeit des Sperrgliedes wird ein weiterer wesentlicher Parameter für die Beeinflussung der Gemischverteilung im Brennraum der Brennkraftmaschine geschaf­ fen, da über das der Mündungsöffnung zugeordnete Sperrglied in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad nicht nur die Menge des eingebla­ senen Kraftstoff-Luftgemisches beeinflusst wird, sondern auch der Strahlwinkel, mit der Folge, dass auch die Wechselwirkung zwischen der für die Fremdzündung vorgesehenen Zündquelle und dem eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch beeinflusst werden kann. Dies gilt umso mehr, als zusätzlich eine Taktung der Öff­ nungsdauer durchgeführt werden kann, wobei in Verbindung mit einer solchen Taktung auch jeweils zeitliche Veränderungen des Öffnungsquerschnittes verbunden sind, die im vorstehenden Sinne genutzt werden können.

Die Einflussmöglichkeiten auf die Gemischbildung sind erfin­ dungsgemäß noch dadurch erweitert, dass das Kraftstoff- Luftgemisch auch bezüglich des Luftdruckes und/oder des Kraft­ stoffdruckes variabel eingestellt werden kann, so dass über die verschiedenen Arbeitsbereiche der Brennkraftmaschine hinweg den jeweiligen Erfordernissen durch entsprechende Einstellung der vorgenannten Parameter Rechnung getragen werden kann. Insbeson­ dere gilt dies, wenn die Einbringung des Kraftstoffes in den Injektor über ein seinerseits mit Luftunterstützung arbeitendes Kraftstoff-Niederdruckventil erfolgt.

Das Mengenverhältnis, das Druckverhältnis, das Verhältnis der Geschwindigkeiten von über den Injektor zugeführtem Kraftstoff und zugeführter Luft, nicht zuletzt auch der jeweilige Öff­ nungsquerschnitt der Mündungsöffnung in Größe und Form beein­ flussen die Partikelgröße des als Kraftstoff-Luftgemisch über den Injektor in den Brennraum eingeblasenen Kraftstoffes. Zu­ sätzlich kann es sich im Rahmen der Erfindung als zweckmäßig erweisen, die Partikelgröße auch über die Injektortemperatur zu beeinflussen, also den Injektor, insbesondere das Sperrglied des Injektors oder auch das Niederdruckventil, bzw. dessen Dü­ sennadel zu beheizen, um die Kraftstoffaufbereitung im Sinne einer Verkleinerung der Partikelgröße weiter zu verbessern.

Korrespondierend zur Ausgestaltung der Einspritzanlage erweist es sich ferner als zweckmäßig, flankierende Massnahmen seitens der Brennkraftmaschine vorzusehen. Hierbei erweist es sich ins­ besondere als vorteilhaft, den Brennraum weitmöglichst dem Kol­ ben zuzuordnen und insbesondere den Kolben mit einer zentralen Kolbenmulde zu versehen, die in direkter Zuordnung zum Injektor steht, wobei eine bevorzugte Ausgestaltung darin besteht, den Injektor und die Kolbenmulde zentral einander gegenüberliegend, insbesondere in oder im Bereich der Zylinderachse anzuordnen.

Dies führt zu einem besonders kompakten Brennraum sowie gerin­ gem Schadraumanteil und bietet zusätzlich die Möglichkeit, die die Brennraummulde umschliessenden Teile des Kolbenbodens mit dem gegenüberliegenden Bereich des Zylinderkopfes als Quetsch­ spalte zu verwenden, die eine Konzentration des über den Injek­ tor eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisches im Bereich der Brennraummulde begünstigen.

Insbesondere in Verbindung mit einer zentralen Einbringung des Kraftstoff-Luftgemisches auf den Brennraum erweist sich eine seitliche, schräg auf die Brennraummulde zustossende, vom Zy­ linderkopf ausgehende Lage der Zündkerze als zweckmäßig, wobei die geschilderten Massnahmen zur Beeinflussung des Strahlwin­ kels Einflussmöglichkeiten bieten, eine direktere oder indirek­ tere Beaufschlagung der Zündkerze durch Teile des eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisches zu erreichen, gegebenenfalls in Anpas­ sung an die jeweilige Zündfähigkeit des Gemisches, so dass der Verbrennungsablauf strahlgeführt beeinflussbar ist.

Damit sind vielfältige Möglichkeiten zur Optimierung des Ver­ brennungsablaufes im Hinblick auf minimale Abgasemissionen ge­ geben, die in Verbindung mit einer entsprechenden Steuerung des Injektors noch dahingehend ausgebaut werden können, dass zur Nachoxydation nach dem oberen Totpunkt nochmals Luft in den Brennraum eingebracht wird, wobei eine solche zusätzliche Lufteinblasung im Rahmen der Erfindung maximal bis zum Öffnen des oder der Einlassventile der Brennkraftmaschine erfolgen sollte und insbesondere bei Steuerung der Einbringung des Kraftstoffes auf den Injektor über ein Kraftstoff- Niederdruckventil ohne Zusatzaufwand möglich ist. Wird die vor­ stehende erfindungsgemäße Ausgestaltung genutzt und der Kraft­ stoff in den Injektor über ein mit Luftunterstützung arbeiten­ des Niederdruckventil eingebracht, so bietet sich die Möglich­ keit, über das Niederdruckventil und nachfolgend über den In­ jektor die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wie auch die Qualität des Gemisches zu beeinflussen, wobei auch für das Niederdruckventil erfindungsgemäß gegebenenfalls eine Beheizung vorgesehen werden kann.

Die erfindungsgemäßen Einflussmöglichkeiten auf die Kraft­ stoffaufbereitung lassen sich auch für den unter Abgasgesichts­ punkten besonders kritischen Startbereich der Brennkraftmaschi­ ne nutzen, wobei es sich im Rahmen der Erfindung als zweckmäßig erweist, für den Startbetrieb die Brennkraftmaschine auf eine Drehzahl hochzuschleppen, bei der sich bezogen auf die Einbrin­ gung des Kraftstoff-Luftgemisches über den Injektor stabile Druckverhältnisse eingestellt haben, und zwar sowohl bezüglich des Zylinderdruckes, wie auch des Druckes von Luft und Kraft­ stoff, so dass der Start des Eigenbetriebes der Brennkraftma­ schine unter stabilen Verhältnissen erfolgt. Diese machen es auch möglich, mit einem verhältnismäßig mageren Kraftstoff- Luftgemisch zu starten, insbesondere in Anbetracht der aufge­ zeigten Möglichkeiten zur Beeinflussung der Führung des Kraft­ stoff-Luftgemisches im Brennraum, bzw. in der Lage zur Zündker­ ze. Im Hinblick auf eine möglichst schnelle Aufheizung des Ka­ talysators erweist sich desweiteren eine verhältnismäßig späte Einspritzung mit später Zündung als zweckmäßig.

Um Instabilitäten in der Startphase zu vermeiden und die Dreh­ zahl stabil zu halten, kann es ferner zweckmäßig sein, den Schleppbetrieb, also die elektrische Unterstützung des Start­ vorganges parallel zum Eigenbetrieb der Brennkraftmaschine kurzzeitig aufrechtzuerhalten.

Um auch in der Startphase die Stickoxidemmission so gering wie möglich zu halten, kann es im Rahmen der Erfindung desweiteren von Vorteil sein, schon unmittelbar nach dem Start mit Abgas­ rückführung zu arbeiten, ergänzend zur späten Einspritzung und späten Zündung, so dass einerseits hohe Abgastemperaturen zur Katalysatoraufheizung anfallen, andererseits aber der Anteil der Stickoxide klein bleibt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung mit weiteren De­ tails anhand der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Kraftstoffeinspritzanla­ ge, bei der über einen Injektor in den Brennraum ei­ ner nicht dargestellten Brennkraftmaschine ein Kraft­ stoff-Luftgemisch eingebracht wird und die Zufuhr des Kraftstoffes auf den Injektor über ein Niederdruck­ einspritzventil erfolgt, das in der gezeigten Ausfüh­ rungsform seinerseits ebenfalls mit Luftunterstützung arbeitet,

Fig. 2 eine weitere, stark schematisierte Prinzipdarstel­ lung, die einen Ausschnitt aus einer Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine mit einem Kolben zeigt, in dessen Kol­ benboden eine Kolbenmulde vorgesehen ist, der zylin­ derkopfseitig gegenüberliegend ein Injektor und eine Zündkerze vorgesehen sind, und

Fig. 3 in ebenfalls stark schematisierter Darstellung den Mündungsbereich eines Injektors, der als Sperrglied eine nach aussen öffnende Injektornadel aufweist, die nahe dem Mündungsbereich beheizt ist.

In der Schemadarstellung gemäß Fig. 2 ist mit 1 ein Zylinder einer insbesondere mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine dargestellt, die einen Kolben 2 aufnimmt, welcher gegenüber dem den Zylinder 1 abdeckenden Zylinderkopf 3 einen Brennraum 4 ab­ grenzt, auf den zylinderkopfseitig eine Zündkerze 5 und ein In­ jektor 6 einer Kraftstoffeinspritzanlage ausmünden, der, wie anhand der Fig. 1 noch näher erläutert werden wird, mit Luf­ tunterstützung arbeitet und dem über ein Niederdruckeinspritz­ ventil 7 Kraftstoff zugeführt wird, wobei das Niederdruckein­ spritzventil 7 ebenfalls mit Luftunterstützung arbeiten kann. Der zentral angewendete Injektor 6 und die Zündkerze 5 münden auf eine zylinderkopfseitig vorgesehene Vertiefung 8 aus, um die sich die nicht dargestellten Ventile gruppieren und der kolbenseitig eine Kolbenmulde 9 gegenüberliegt, wobei die Kol­ benmulde 9 in der oberen Totpunktlage des Kolbens 2 den über­ wiegenden Teil des Brennraumes 4 ausmacht, der die Kolbenmulde 9 umgrenzend kolbenseitig durch einen Ringbereich 10 begrenzt ist, der mit der gegenüberliegenden Zone des Zylinderkopfes 3 einen zur Kolbenmulde 9 hin offenen Quetschspalt bildet.

Eine mögliche Ausgestaltung des Injektors 6 und des Niederdruck­ einspritzventiles 7 der Kraftstoffeinspritzanlage ist schema­ tisiert in Fig. 1 dargestellt, wobei mit 11 als Sperrglied die Injektornadel bezeichnet ist, die in einem zentralen Kanal 12 des Injektors 6 geführt ist und als gegen den Brennraum 4, also nach aussen öffnende Nadel in einem Kopfteil 13 ausläuft, das als pilzförmige, endseitige Verdickung der Injektornadel 11 ei­ ne Dichtfläche 14 aufweist, die bei - was hier nicht gezeigt ist - in der Schliesslage befindlicher Injektornadel 11 mit der entsprechend konisch aufgeweiteten Dichtflanke 15 der Mündung des Kanales 12 zusammenwirkt und den Kanal 12 gegen den Brenn­ raum 4 absperrt. Der Kanal 12 bildet im Ausführungsbeispiel ei­ ne Luftführung, wobei die Zuführung der Luft auf den Kanal 12 über einen Anschluss 16 erfolgt, dessen Verbindungsweg zum Ka­ nal 12 im einzelnen nicht dargestellt und durch die Strichlinie 17 symbolisiert ist.

Der als Sperrglied dienenden Injektornadel 11 ist ein Stellan­ trieb 18 zugeordnet, der im von dem Kopfteil 13 abgelegenen Be­ reich vorgesehen ist und der hier nur stark symbolisiert darge­ stellt ist, wobei der Stellantrieb 18 durch einen Piezoaktuator an sich bekannten Aufbaus erfindungsgemäß gebildet ist.

Im Bereich der Dichtflanke 15 des Kanales 12 mündet auf diesen die Kraftstoffzuführung aus, die im Ausführungsbeispiel durch mehrere Bohrungen 19 gebildet ist, denen in der Dichtflanke 15 liegende Mündungsöffnungen 20 zugeordnet sind, die über das Kopfteil 13, bzw. dessen Dichtflächen 14 in der Schliesslage der Injektornadel 11 abgesperrt sind und die zusammen mit der Luftzuführung durch den Kanal 12 durch Verstellen der Injek­ tornadel 11 in ihre Öffnungslage freigegeben werden.

Die Zuführung des Kraftstoffes auf die Bohrungen 19 erfolgt bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, wie schematisiert darge­ stellt, über das Niederdruckeinspritzventil 7, das aus Gründen der Darstellung in Fig. 1 abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 2 radial zum Injektor 6 angeordnet ist und mit den Boh­ rungen 19 über einen Ringkanal 21 verbunden ist, auf den ein Zufuhrkanal 22 ausmündet, in dessen Verlängerung das Nieder­ druckeinspritzventil 7 liegt und auf den dieses einspritzt. Das Niederdruckeinspritzventil 7 weist zentral, wie schematisiert angedeutet, eine Bohrung 23 auf, die einen Kraftstoffkanal bil­ det und in der eine Düsennadel 24 axial verschieblich geführt ist, wobei der der Düsennadel 24 zugeordnete Stellantrieb nicht weiter dargestellt ist und das Niederdruckventil 7 grundsätz­ lich einen Aufbau aufweisen kann, wie er in Verbindung mit mit Saugrohreinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschinen bereits bekannt geworden ist.

Wird die Düsennadel 24 von der Mündungsöffnung 25 des Nieder­ druckeinspritzventiles 7 abgehoben, so tritt der Kraftstoff über die Mündungsöffnung 25 in Richtung auf den Zufuhrkanal 22 aus, wobei eine Vermischung mit der Luft eintritt, die über den Kanal 26 des Niederdruckeinspritzventiles 7 zugeführt wird, der im Bereich des Überganges zwischen der Mündungsöffnung 25 und dem Kanal 22 ausmündet, so dass sich eine entsprechende Vermi­ schung von Luft und Kraftstoff ergibt. Das so gebildete Kraft­ stoff-Luftgemisch gelangt über die Bohrungen 19 in den Mün­ dungsbereich des Injektors 6 und vermischt sich dort bei geöff­ neter Injektornadel 11 mit dem über den Kanal 12 zugeführten Luftanteil.

Die Luftversorgung ist in Fig. 1 symbolisch dargestellt durch eine Pumpe 27, der eine Leitungsverbindung 28 zum Anschluss 16 des Injektors 6 und eine Leitungsverbindung 29 zum Luftkanal 26 des Niederdruckeinspritzventiles 7 zugeordnet sind. In den Lei­ tungsverbindungen 28 und 29 ist - symbolisch dargestellt - je­ weils ein Druckregler 30 bzw. 31 angeordnet, wobei über die Druckregler 30 bzw. 31 das Druckniveau derart abgestimmt wird, das am Niederdruckventil 7 ein höherer Luftdruck anliegt als am Anschluss 16 des Injektors.

Im Hinblick auf den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraft­ maschine kann sowohl der Kraftstoffdruck wie auch das Verhält­ nis der Luftdrücke verändert werden. Zusätzlich kann auf die Gemischzusammensetzung, insbesondere aber auch auf die Gemisch­ verteilung im Brennraum noch über die Taktung und/oder den Öff­ nungsgrad des Injektors 6 Einfluss genommen werden, mit ent­ sprechenden Auswirkungen auf den Ablauf von Zündung und Ver­ brennung.

Um Kraftstoffanlagerungen im Mündungsbereich des Injektors 6 zu vermeiden, aber auch um Entmischungseffekten sowie einer Agglo­ meration von Kraftstoffpartikeln bei geschlossenem Injektor 6 vorzubeugen, erweist es sich als zweckmäßig, die Injektornadel 11 nahe dem Mündungsbereich des Injektors 6 zu beheizen, was in Fig. 3 schematisiert angedeutet ist, in dem der Injektornadel 11 nahe ihrem Kopfteil 13 ein Heizelement 32 zugeordnet ist.

Claims (11)

1. Kraftstoffeinspritzanlage für eine mit Fremdzündung arbei­ tende Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei der dem Brennraum unter Druck ein Kraftstoff-Luftgemisch über einen Injektor zugeführt wird, dessen Mündungsöffnung ein Sperrglied zugeordnet ist, das über einen Stellantrieb beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsöffnung in ihrem freien Querschnitt über das Sperrglied (Injektornadel 11) stufenlos einstellbar und der Stellantrieb (18) durch einen Piezoaktuator gebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das über den Injektor (6) zugeführte Kraftstoff- Luftgemisch bezüglich des Luftdruckes variabel einstellbar ist.

3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das über den Injektor (6) zugeführte Kraftstoff- Luftgemisch bezüglich des Kraftstoffdruckes variabel einstell­ bar ist.

4. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (6) beheizbar ist.

5. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektornadel (11) beheizbar ist.

6. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (6) auf eine im Kolben (2) der Brennkraftma­ schine vorgesehene Mulde (9) gerichtet ist.

7. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kolbenboden vorgesehene Kolbenmulde (9) den über­ wiegenden Anteil des Brennraumes (4) der Brennkraftmaschine bildet.

8. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (6) zentral angeordnet ist.

9. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (6) im Zentrum zwischen den Ventilen der Brennkraftmaschine liegt und die Zündkerze (5) winklig zur In­ jektorachse liegend in eine der Kolbenmulde gegenüberliegende, zylinderkopfseitige Vertiefung (8) ausmündet.

10. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (6) zentral auf die Vertiefung (8) ausmün­ det.

11. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das über den Injektor (6) eingebrachte Kraftstoff- Luftgemisch einen Einspritzkegel bildet, dessen kolbenseitiger Kegeldurchmesser kleiner als der Öffnungsquerschnitt der Brenn­ raummulde (9) ist.