DE60209210T2

DE60209210T2 - Dieselmotor mit katalysator

Info

Publication number: DE60209210T2
Application number: DE60209210T
Authority: DE
Inventors: Per Persson; Jan Wiman; Jonas Rick
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: US7063072B2; JP4125962B2; BR0207677B1; SE523482C2; DE60209210D1; BR0207677A; EP1364113A1; WO2002070889A1; SE0100719L; JP2004522035A; SE0100719D0; EP1364113B1; ATE317944T1; US20040103649A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Zylindern mit einzelnen Brennkammern, einem Kraftstoffinjektor, der sich in die jeweilige Brennkammer öffnet, einzelnen Kraftstoffpumpmitteln für jeden Injektor zum Fördern von Kraftstoff zu dem jeweiligen Injektor, eine Auslassleitung, die von der jeweiligen Brennkammer kommt und sich in eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgas öffnet, eine Nockenwelle, die durch die Motorkurbelwelle angetrieben ist, mit einem Nockenelement für eines oder mehrere Kraftstoffpumpmittel wobei das Nockenelement eine Nockenkurve besitzt, die derart geformt ist, um einmal pro Betriebszyklus einen Pumpenhub in dem verknüpften Kraftstoffpumpmittel bereitzustellen, und mit einer elektronischen Steuereinheit, die angeordnet ist, um ein Überlaufventil und ein Nadelsteuerventil zu steuern, die mit dem jeweiligen Injektor koordiniert sind, zum Steuern der Einspritzmenge und des Zeitpunkts während des jeweiligen Pumpenhubes als eine Funktion verschiedener Steuerparameter, die in die Steuereinheit zugeführt werden.
Es ist bekannt, sogenannte DENOX-Katalysatoren zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Dieselmotoren einzusetzen. Es ist ebenso eine bekannte Tatsache, dass solche Katalysatoren eine relativ niedrige Effizienz und einen schmalen Temperaturbereich besitzen, innerhalb dessen sie arbeiten, und dass es möglich ist, Kohlenwasserstoffe zuzuführen, um NO_x zu vermindern. Dies kann beispielsweise durch Zuführen zusätzlichen Dieselkraftstoffs auf solche Weise erzielt werden, dass er den Katalysator in Dampfform erreicht. Es ist von geringer Wichtigkeit, wo der Kraftstoff zugeführt wird, solange keine Verbrennung vor dem Katalysator stattfindet.
Verschiedene Verfahren und Systeme zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Katalysator sind bekannt. Ein Verfahren verwendet einen herkömmlichen Motorinjektor, um eine geringe Menge von Kraftstoff direkt in eine oder mehrere der Motorbrennkammern während der Auslassphase einzuspritzen, sodass der Kraftstoff in unverbrannter Form mit den Auslassgasen zu dem Katalysator transportiert wird. In Motoren mit einem Kraftstoffsystem vom Common-Rail-Typ steht das System unter konstantem hohen Druck, und Kraftstoff kann theoretisch an einer beliebigen Anzahl von Zeitpunkten zu jeder Zeit während des Motorzyklus eingespritzt werden. Die Einspritzsteuerung für die übliche Einspritzphase und für die zusätzliche Postinjektionsphase wird mithilfe einer Steuereinheit erzielt, welche die Ventile als eine Funktion von Motor- und Fahrzeugdaten steuert, die zu der Steuereinheit zugeführt werden. Mit einem Common-Rail-Kraftstoffsystem kann die Postinjektionsphase frei ausgewählt werden, da das System keinen variierenden Kraftstoffdruckzyklus besitzt, der berücksichtigt werden muss, was der Fall bei den meisten Nockenwellen betriebenen Kraftstoffeinspritzsystemen ist.
Eine Anordnung zum Erzielen einer Postinjektion in Motoren mit durch Nockenwellen getriebenen Unitinjektors ist in SE-9700967-4 gezeigt und beschrieben. Hier ist das Nockenelement des jeweiligen Injektors mit einem ersten Nocken für die reguläre Kraftstoffeinspritzung während der Motorkompressionsphase und einem zweiten Nocken für die Postinjektion bei einer vorbestimmten Anzahl von Nockenwellengraden nach der regulären Einspritzung ausgestattet. Das Zeitintervall für die zweite Injektionsphase wird durch die geometrische Position des zweiten Nockens in Bezug auf den ersten bestimmt, während der genaue Zeitpunkt der Einspritzung und die Einspritzmenge von jedem Injektor in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors variiert werden können, und zwar mithilfe des Überlaufventils, das ebenso verwendet werden kann, um zu bestimmen, ob überhaupt eine Einspritzung ausgeführt werden soll, d.h. die Menge kann auf Null gesteuert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einem Motor mit durch Nockenwellen getriebenen, einzelnen Kraftstoffpumpmitteln für jeden Injektor ein Injektionssystem zu erzielen, das praktisch dieselbe Freiheit wie ein Common-Rail-System im Hinblick auf die Auswahl des Zeitpunkts der Injektion und die Kraftstoffmenge für die Postinjektionsphase bereitstellt.
Dies wird gemäß der Erfindung in einem Motor der eingangs beschriebenen Art erzielt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Nockenkurve derart geformt ist, dass ein Öffnungsdruck in dem Kraftstoffinjektor für solange während eines Zyklus aufrecht erhalten wird, dass die Kraftstoffeinspritzung zumindest so spät zugelassen wird, dass eine Verbrennung in dem Zylinder nicht auftritt, und dass die Steuereinheit angeordnet ist, um das Überlaufventil und das Nadelsteuerventil derart zu steuern, dass mindestens eine erste Kraftstoffmenge während des Kompressionshubes des Motors eingespritzt werden kann, und dass in Abhängigkeit von den Steuerparametern zumindest eine zusätzliche Kraftstoffmenge später eingespritzt und in einem unverbrannten Zustand mit dem Abgas zu der Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgas transportiert werden kann.
Durch Einsetzen eines Unitinjektors einer an sich bekannten Art, der zusätzlich zu dem Überlaufventil ebenso ein sogenanntes Nadelsteuerventil besitzt, und durch Anpassen der Nockenkurve des Nockenelements auf die definierte Weise, können der Zeitpunkt oder die Zeitpunkte zur Postinjektion während der Auslassphase frei ausgewählt werden, solange der aufgebaute Druck ausreichend ist, um das Nadelventil des Injektors zu öffnen.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele beschrieben, wobei 1 schematisch eine Hälfte eines Mehrzylinder-Reihenmotors zeigt; 2 zeigt eine Vergrößerung der Nockenprofile in 1, 3 zeigt ein Diagramm der Hubkurve der Kraftstoffeinspritzpumpe für das gezeigte Nockenprofil zusammen mit den Hubkurven der Einlass- und Auslassventile; und 4 zeigt schematisch einen Unitinjektor mit zugehörigen Überlauf- und Nadelsteuerventilen.
In 1 bezeichnen 1 und 2 zwei Zylinder in einem Vier-Takt-Dieselmotor. Zusätzliche Zylinder 3 und 4 sind mit gestrichelten Linien gezeigt. Diese können der dritte und der vierte Zylinder in einem Motor mit vier oder mehr Zylindern sein.
In die Brennkammer 5 jedes Zylinders öffnet sich ein Kraftstoffinjektor (der allgemein mit 6 bezeichnet ist). Der Kraftstoffinjektor umfasst einen Injektorabschnitt 7 und einen Pumpabschnitt 8 mit zugehörigem, elektrisch gesteuertem Überlauf- und Nadelsteuerventil 9. Ein Kraftstoffinjektor dieser Art wird üblicherweise als elektronischer Unitinjektor bezeichnet, da die Pumpe 8 und der Injektor 7 eine Einheit bilden. Die Pumpe 8, die in 4 genauer zusammen mit den anderen Bauteilen des Injektors gezeigt wird, ist eine Kolbenpumpe, und die Bewegung des Kolbens wird auf bekannte Weise mithilfe einer Nockenwelle 11 erzielt, welche durch die Motorkurbelwelle 10 angetrieben ist. Die Nockenwelle 11 besitzt ein Nockenelement 12 für jeden Injektor.
Alle Nockenelement 12 besitzen identische Nockenprofile 13 (2), welchen Pumphub auslösen. Die Nockenprofile 13 sind entsprechend der Zündsequenz zueinander phasenversetzt, und ihre Form bestimmt das mögliche Einspritzintervall, während die tatsächlichen Einspritzzeiten und Kraftstoffmengen durch die Überlauf- und Nadelsteuerventile 9 gesteuert werden, die elektromagnetisch betätigt und durch eine elektronische Steuereinheit 15 gesteuert werden. Ihre Funktion wird ausführlicher unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Ein Sensor 16 und ein Sensor 17 stellen Signale zu der Steuereinheit 15 bereit, welche die Drehzahl der Kurbelwelle 10 und den Winkel der Nockenwelle 11 darstellen. Ferner werden Signale in die Steuereinheit zugeführt, welche die durch den Fahrer geforderte Kraftstoffmenge, beispielsweise eine Gaspedalposition 18, darstellen. Weitere mit der Steuereinheit gekoppelte Sensoren, die für die Veranschaulichung der Erfindung nicht von Bedeutung sind, wurden weggelassen.
Mit dem in 2 gezeigten Nockenprofil 13 wird die in 3 mit A bezeichnete Hubkurve des Kraftstoffpumpkolbens 30 (4) des Injektors 6 erzielt, die Hubkurven B bzw. C des Einlassventils bzw. des Auslassventils sind ebenso eingezeichnet. Wie in dem Diagramm in 3 zu sehen ist, stellt das gezeigte Nockenprofil einen Pumpenhub bereit, der zum Ende des Kompressionshubes bei etwa 320 Kurbelwellengraden initiiert wird. Der Pumpkolben 30 bewegt sich zuerst schnell zu etwa 450 Kurbelwellengraden nach oben, um danach zurückgezogen zu werden, bis er seinen Rückkehrhub bei etwa 630 Kurbelwellengraden beginnt, während gleichzeitig das Auslassventil beginnt, zu schließen. 13a in 2 bezeichnet das Nockensegment, das gegen den Kolben 30 während der normalen Kraftstoffeinspritzung drückt, wenn eine Verbrennung erwünscht wird, während 13b das Nockensegment bezeichnet, welches gegen den Kolben drückt, um den Druck zur Postinjektion aufrecht zu erhalten, wenn eine Verbrennung nicht auftreten soll. Stattdessen soll der Kraftstoff stromabwärts in dem Motorauslasssystem oxidiert werden.
4 zeigt schematisch die Motorinjektoren. Das Überlauf- und Nadelsteuerventil 9 ist hier zum Zwecke der Veranschaulichung als zwei separate Ventile veranschaulicht, wobei 9a allgemein das Überlaufventil bezeichnet, und 9b bezeichnet das Nadelsteuerventil. 7a bezeichnet den Nadelventilabschnitt des Injektors 7. Der Pumpabschnitt 8 besitzt ein Gehäuse 31 mit einer Pumpkammer 32, in der der zuvor genannte Pumpkolben 30 sich mithilfe eines Nockenelements 12 für den Pumpenhub und einer Federvorrichtung (nicht gezeigt) für den Rückkehrhub hin- und herbewegen kann. Die Pumpkammer 32 kommuniziert über einen Kanal für den Pumpenhub und einer Federvorrichtung (nicht gezeigt) für den Rückkehrhub hin- und herbewegen kann. Die Pumpkammer 32 kommuniziert über einen Kanal 33 mit einer Kammer 34 in dem Nadelventilgehäuse, in der ein Nadelventil 35 verschiebbar montiert und durch eine Feder 36 zu einer Position federvorgespannt ist, in welcher die Nadel das Zerstäubungsloch 37 des Injektors schließt. Die Nadel 35 und die Kammer 34 sind derart ausgeführt, dass Druck in der Kammer 34 die Nadel nach oben in der Figur, d.h. in der Öffnungsrichtung, belastet.
Das Überlaufventil 9a besitzt ein Gehäuse 40 mit einer Ventilkammer 41, die einen Ventilkörper 42 enthält, welcher über eine Spindel 43 mit einem Anker 44 eines Elektromagneten 45 verbunden ist. Der Anker 44 ist durch eine Feder 46 in eine Position belastet, in welcher der Ventilkörper 42 in seiner offenen Position ist, sodass ein Kanal 47 von dem Kanal 33 über das Überlaufventil mit einem Rückführtank 48 kommuniziert. Wenn der Elektromagnet 45 in Antwort auf ein Signal von der Steuereinheit 15 magnetisiert ist, wird der Kern 44 in der Figur nach oben gezogen, und der Ventilkörper 42 trennt die Kommunikation zwischen dem Signal 33 und dem Tank 48 ab. Druck wird dann in der Kammer 34 aufgebaut, welcher die Ventilnadel 35 nach oben in ihrer Öffnungsrichtung belastet. Über einen Kanal 49, der von dem Kanal 33 abgezweigt ist, wird der Kraftstoff ebenso zu dem Raum 50 geleitet, welcher die Rückstellfeder 36 der Ventilnadel 35 enthält, sodass ein Druck aufgebaut wird, der den Druck in der Öffnungsrichtung ausgleicht, falls das Nadelsteuerventil 9b, welches mit dem Kanal 49 kommuniziert, geschlossen ist. Das Nadelventil wird dann geschlossen bleiben.
Das Nadelsteuerventil 9b besitzt ein Gehäuse 51 mit einem Ventilkörper 52, der über eine Spindel 53 mit einem Anker 54 eines Elektromagneten 55 verbunden ist. Der Anker 54 ist durch eine Feder 56 in eine Position vorgespannt, in welcher der Ventilkörper 52 die Kommunikation zwischen dem Kanal 49 und dem Rückführtank 48 abtrennt. Wenn der Elektromagnet 55 in Antwort auf ein Signal von der Steuereinheit 15 magnetisiert wird, wird der Anker in der Figur nach oben gezogen, und der Ventilkörper 52 öffnet die Kommunikation zwischen dem Kanal 49 und dem Tank 48. In dem Kanal 49 vor dem Nadelventil 7a gibt es eine Verengung 57, was bedeutet, dass wenn das Nadelsteuerventil 9b öffnet, während gleichzeitig das Überlaufventil 9a in seiner Position geschlossen ist, der Druck oberhalb des Nadelventils 35 in Bezug auf den Druck in der Kammer 34 abfallen wird, sodass das Nadelventil öffnen wird.
Wenn das Überlaufventil 9a geschlossen ist, wird in dem Injektor 6 während des Pumpenhubes Druck aufgebaut, jedoch wird im Gegensatz zu einem herkömmlichen Unitinjektor, der nur ein Überlaufventil besitzt, und dessen Nadelventil öffnet, wenn ein vorbestimmter Druck aufgebaut worden ist, das Nadelventil 7a geschlossen gehalten, ungeachtet des aufgebauten Drucks, und wird nur öffnen, wenn das Nadelsteuerventil 9b öffnet. Theoretisch kann das Nadelventil 9a zu einer unbegrenzten Anzahl von Malen an jeglichem ausgewählten Zeitpunkt geöffnet werden und frei ausgewählte Kraftstoffmengen während des Pumpenhubes einspritzen. In dem Diagramm aus 3 bezeichnet 12a die Öffnungsperiode des Nadelsteuerventils 9b, was ein Öffnen der Injektorventilnadel 35 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer während des Endes des Kompressionshubes und des Anfangs des Expansionshubes verursacht. 12b und 12c bezeichnen zwei kurze Postinjektionsperioden, eine nach der anderen, während der Auslassphase. Die Zeitpunkte der Injektionen sind derart ausgewählt, dass der Kraftstoff in dem Zylinder verdampft, jedoch nicht gezündet wird, was bedeutet, dass verdampfter Kraftstoff mit dem Abgas durch den Abgaskrümmer 60 zu dem Katalysator 61 transportiert wird.
Die Steuereinheit 15 ist hier angeordnet, um das Überlaufventil 9a und das Nadelsteuerventil 9b derart zu steuern, dass eine oder mehr zusätzliche Kraftstoffmengen in die Motorbrennkammer nach der ersten normalen Kraftstoffeinspritzung eingespritzt werden, wenn zu der Steuereinheit 15 gesandte Signale, die zumindest die Motordrehzahl und die vom Fahrer geforderte erste Kraftstoffmenge, beispielsweise Gaspedalposition, darstellen, eine niedrige Motorlast mit entsprechend relativ niedriger Abgastemperatur angeben, wenn bestimmte Nachbehandlungssysteme, beispielsweise DPF (Dieselpartikelfilter) oder SCR (selektive katalytische Reduktion) zusätzliche Energie erfordern, um die Temperatur in dem Nachbehandlungssystem zu erhöhen. Andere Systeme, wie DeNO_x oder NO_x-Filter können zusätzlichen unverbrannten Kraftstoff in dem Abgas erfordern, ebenso bei hoher Motorlast.
Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform eines Mehrzylindermotors mit sogenannten Unitinjektors beschrieben, jedoch kann sie ebenso in einem Einzelzylindermotor oder in einem Motor mit sogenannten Unitpumpinjektoren verwendet werden, d.h. einem Motor mit einem Kraftstoffsystem, bei welchem die Injektoren und die Pumpvorrichtung separat, bei welchem jedoch jeder Injektor für seinen eigenen Pumpenkolben besitzt, der durch ein Nockenelement angetrieben ist. Theoretisch kann als Pumpe eine Straightpumpe, eine Radialkolbenpumpe oder eine Axialkolbenpumpe verwendet werden.

Claims

Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Zylindern mit einzelnen Brennkammern (5), einem Kraftstoffinjektor, der sich in jede Brennkammer öffnet, einzelnen Kraftstoffpumpmitteln (8) für jeden Injektor zum Zuführen von Kraftstoff zu dem jeweiligen Injektor, einer Auslassleitung (60), die von der jeweiligen Brennkammer kommt und sich in eine Vorrichtung (61) zur Nachbehandlung von Abgas öffnet, einer Nockenwelle (11), die durch die Motorkurbelwelle (10) angetrieben ist, mit einem Nockenelement (12) für ein oder mehrere Kraftstoffpumpenmittel, wobei das Nockenelement eine Nockenkurve (13) besitzt, die derart geformt ist, um einmal pro Betriebszyklus einen Pumpenhub in dem verknüpften Kraftstoffpumpmittel bereitzustellen, und mit einer elektronischen Steuereinheit (15), die angeordnet ist, um ein Überlaufventil (9a) und ein Nadelsteuerventil (9b) zu steuern, die mit dem jeweiligen Injektor koordiniert sind, zum Steuern der Einspritzmenge und des Zeitpunkts während des jeweiligen Pumpenhubes als eine Funktion verschiedener Steuerparameter, die in die Steuereinheit zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkurve (13) derart geformt ist, dass ein Öffnungsdruck in dem Kraftstoffinjektor (6) für solange während eines Zyklus aufrecht erhalten wird, dass die Kraftstoffeinspritzung zumindest so spät zugelassen wird, dass eine Verbrennung in dem Zylinder nicht auftritt, und dass die Steuereinheit (15) angeordnet ist, um das Überlaufventil (9a) und das Nadelsteuerventil (9b) derart zu steuern, dass mindestens eine erste Kraftstoffmenge während des Kompressionshubes des Motors eingespritzt werden kann, und dass in Abhängigkeit von den Steuerparametern mindestens eine zusätzliche Kraftstoffmenge später eingespitzt und in einem unverbrannten Zustand mit dem Abgas zu der Vorrichtung (61) zur Nachbehandlung von Abgas transportiert werden kann.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkurve (13) derart geformt ist, dass der Pumpenhub zumindest solange reicht, bis ein verknüpftes Auslassventil in der Brennkammer vollständig offen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) angeordnet ist, um das Überlaufventil (9a) und das Nadelsteuerventil (9b) derart zu steuern, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge eingespritzt wird, bevor das Auslassventil vollständig offen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) angeordnet ist, das Überlaufventil (9a) und das Nadelsteuerventil (9b) derart zu steuern, dass eine zusätzliche Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wenn zu der Steuereinheit gesandte Signale, die zumindest die Motordrehzahl und eine vom Fahrer geforderte erste Kraftstoffmenge darstellen, eine niedrige Motorlast anzeigen.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkurve (13) derart geformt ist, dass der Pumpenhub beginnt, bevor der Kolben in der verknüpften Zylinderkammer den oberen Totpunkt während des Kompressionshubes erreicht, und solange dauert, bis das Auslassventil vollständig offen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkurve (13) derart geformt ist, dass der Rückkehrhub beginnt, wenn das Auslassventil beginnt, sich zu schließen.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Injektor (6) mit zugehörigem Kraftstoffpumpmittel (8), Überlaufventil (9a) und Nadelsteuerventil (9b) eine in den Motorzylinderkopf integrierte Einheit, einen sogenannten Unitinjektor, bildet.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Injektor mit einem Kraftstoffpumpmittel kommuniziert, der von dem Injektor getrennt ist.