WO2009019155A2 - Einblasvorrichtung für gasförmigen kraftstoff in einen verbrennungsmotor, zugehöriges verfahren sowie steuergerät - Google Patents
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Definitions
- Injection device for gaseous fuel into an internal combustion engine, associated method and control device
- a first gaseous fuel quantity is introduced in front of a compressor into a suction pipe device with the aid of a first fuel injection valve, so that a gas-air premix is formed. Due to the strong mixing in the compressor and the long paths through the intake manifold to the respective cylinder of the internal combustion engine, a strong homogenization of the gas-air pre-mixture is achieved.
- a second gaseous amount of fuel which is smaller than the first amount of gaseous fuel introduced, is injected into the intake manifold by means of at least a second, smaller fuel injector downstream of the compressor. Since this later supplied, smaller amount of gas is injected into the already well homogenized gas-air mixture, it also sets for a good mixing.
- a gaseous basic fuel quantity is also introduced into the air supply line of the internal combustion engine for mixing with fresh intake air by means of a first fuel injection valve, even before a compressor and in front of a throttle valve.
- the premix thus produced is enriched either within the intake manifold of the internal combustion engine or in the combustion chamber of the respective cylinder by at least one second Brennscherinblasventil, which is located behind the throttle, with a gaseous fuel main.
- the basic amount of fuel is selected at most one third of the total amount of fuel that results at the respective load point of the internal combustion engine from the sum of the basic fuel quantity and the main amount.
- the invention is based on the object for metering and allocating a desired total amount of gaseous fuel into the combustion chamber of the respective cylinder of an internal combustion engine to provide a blowing device that manages with relatively simple components and yet in a precisely controllable manner a largely exact cylinder individual fuel quantity allocation or - Measurement possible.
- Injection device for metering and distributing gaseous fuel into the combustion chamber of the respective cylinder of a Internal combustion engine, wherein the intake manifold of the air intake tract of the internal combustion engine branches into finger-shaped Saugrohrabchanginge to the individual cylinders of the internal combustion engine, viewed in Guteinströmraum after the throttle device of the Heilansaug Thas in the respective finger-shaped Saugrohrabrough the suction tube at least one Kanaleinblas-Solenoidinj is provided ektor, and at least one direct injection Solenoid injector is provided on the respective cylinder.
- both the port injection solenoid injector and the respective direct injection solenoid injector are positioned in the vicinity of the throttle cylinder in the vicinity of the respective cylinder when viewed in the inflow direction of the air intake tract.
- the injection device according to the invention is particularly suitable for "low-cost” applications such as in small vehicles.
- the invention also relates to a method according to the invention for metering and distributing gaseous fuel into the combustion chamber of the respective cylinder of an internal combustion engine whose intake manifold in the air intake tract branches into finger-shaped suction tube sections to the individual cylinders of the internal combustion engine, with the aid of at least one channel injection solenoid injector in the air inflow direction considered after the throttle device of the air intake tract is arranged in the respective finger-shaped Saugrohrabschnitt the suction pipe, and with the aid of at least one direct injection Solenoidinj ector on each cylinder.
- the invention also relates to a control device with a control logic for setting a
- Injection device for metering and allocating gaseous fuel into the combustion chamber of the respective cylinder of an internal combustion engine, the intake manifold in the
- FIG. 1 shows a schematic overview of an embodiment of a blowing device according to the invention for a motor vehicle
- An internal combustion engine operated with a gaseous fuel wherein the injector for each cylinder of the internal combustion engine comprises at least one port injection solenoid injector and at least one associated direct injection solenoid injector, Figure 2 in a schematic representation of the
- FIG. 3 shows a schematic representation of an advantageous procedure in the control logic of a
- Control unit for adjusting the respective Kanaleinblas- Solenoidinjektors and the respective associated Vietnameseblasblas- Solenoidinjektors the injector of Figure 1, as an injector pair one of
- FIG. 4 is a schematic tabular representation of advantageous driving strategies for
- FIG 1 shows a schematic overview of a four-cylinder gasoline engine as an exemplary motor vehicle internal combustion engine COE with an advantageous injection device ID for gaseous fuels, which is designed according to the inventive design and operation principle.
- the injection device ID serves a desired target total amount TV (see Figure 3) of gaseous fuel GF in the combustion chamber of that cylinder of Engage combustion engine COE dosed for the next combustion process is prepared according to the sequence of combustion cycles of the cylinders of the internal combustion engine COE.
- the motor vehicle internal combustion engine COE has an air intake tract IS. Fresh air FA flows into the air intake tract IS through its inlet-side air filter AF. It is viewed in the inflow AFD considered a subsequent throttle device TH, in particular throttle valve supplied.
- the throttle device TH can be regulated or set, which flow rate of fresh air flows into a downstream intake manifold IM.
- the throttle device TH sits at the entrance of this intake manifold IM.
- Their one or more control elements can be adjusted via at least one control line SS1 from the engine control unit ECU of the internal combustion engine COE in such a way that a desired flow cross-section is effected for the fresh air mass flowing into the intake manifold IM.
- the intake manifold IM has a common suction pipe section CT assigned to all cylinders, from which branch finger-shaped end sections to the gas inlet valves of the individual cylinders CY1 branch with CY4 of the engine block MB of the motor vehicle internal combustion engine COE.
- a gasoline engine with four cylinders CYL with CY4 go four finger-shaped end portions FIl with FI4 from the common Saugrohrabsacrificing CT to the gas inlet valves IVl with IV4 of the four cylinders CYl with CY4 of the engine block of the motor vehicle internal combustion engine COE.
- the individual cylinders CY1 with CY4 discharge via their respective gas outlet valves EVI with EV4 burned fuel / air mixtures as exhaust gases during their Ausenseungstakte in an exhaust tract ES.
- the exhaust gases from the combustion chambers of the individual cylinders CY1 with CY4 of the engine block MB pass through cylinder-selective exhaust pipes in a common exhaust manifold EM and are as merged exhaust gas EG through the exhaust pipe system of the exhaust gas ES at least one emission control device, in particular Catalyst device CAT supplied.
- the catalytic converter device CAT is preceded or integrated in at least one lambda probe LP.
- the lambda probe LP measures the respectively current lambda value, ie the ratio of air to fuel compared to its stoichiometric mixture, and communicates a representative measurement signal LSS via a measuring line ML1 to the engine control unit ECU.
- a catalyst may optionally also be provided an other emission control system such as a particulate filter system or other exhaust aftertreatment system.
- the engine control unit ECU takes over the control and regulation of the exhaust gas purification device CAT via a control line SS5.
- Exhaust gas recirculation system ERC provided. This has at least one connecting pipe from the exhaust pipe of the exhaust tract ES to the intake manifold IM. By this exhaust gas recirculation branch, a part RG of the exhaust gas stream EG can be returned from the output side of the internal combustion engine COE to the intake side intake pipe IM.
- the exhaust gas recirculation rate of the exhaust gas recirculation system ERC can be regulated by means of at least one valve control device RCV. This is controlled by the engine control unit ECU via a control line SS4.
- By the exhaust gas recirculation a predetermined amount of exhaust gas is added to the fresh mixture or to the intake fresh air FA.
- the use of exhaust gas recirculation causes on the one hand a reduction of NO x emissions in gasoline and diesel engines. On the other hand, it causes in particular a Entdrosselung in the air intake tract and reduces any throttle losses of the throttle device TH.
- the internal combustion engine COE In order to be able to operate the internal combustion engine COE with a gaseous fuel GF, it has an injection device ID for metering and allocating a desired target total amount TV of gaseous fuel GF into the combustion chamber of the respective cylinder CY1 with CY4 of the engine block MB of the internal combustion engine COE in preparation of the respective combustion cycle within the combustion cycle of each cylinder.
- it comprises a multiplicity of channel injection solenoid injectors MI1 with MI4 which, viewed in the direction of air inflow AFD, after the
- Throttling device TH in the immediate vicinity of the gas inlet valves IVl IV4 with the cylinder CYl with CY4 in the cylinder-selective, finger-shaped Saugrohrabroughen IM are arranged.
- the Kanaleinblas- Solenoidinjektoren are each designed such that with them the injection of a minimum or small amount SVO (see Figures 2, 3) of gaseous fuel GF in the finger-shaped Saugrohrabroughe FIl with FI4 of the suction pipe IM is possible to from there each one desired smallest or smallest amount feindosiert in the combustion chamber of the respective
- Cylinder individually, i. cylinder-specific to be able to bring in, when the gas inlet valve is opened in the respective intake stroke.
- the injector ID directly has a direct-injection solenoid injector Dil with DI4 directly on each cylinder CY1 with CY4.
- the respective direct injection solenoid injector makes it possible to carry out a direct injection of a main quantity MVO (see FIGS. 2, 3) of gaseous fuel GF into its combustion chamber for coarse dosing of a desired nominal total quantity TV.
- the respective channel injection solenoid injector MI1 with MI4 preferably has a 1/5 to 1/10 lower flow rate FR than the respective direct injection solenoid injector Dil with DI4.
- a Kanaleinblas- Solenoidinjektor as close as possible in front of the respective inlet opening of the respective cylinder in each finger-shaped end portion of the suction pipe IM of the air intake.
- the respective channel injection solenoid injector MI1 with MI4 is preferably a few centimeters, in particular between 3 and 6 centimeters, in front of the respective inlet channel of the combustion chamber of the respective cylinder CY1 with CY4 in its inlet-side, finger-shaped intake manifold.
- Supply section FIl provided with FI4.
- the combustion chamber of each cylinder is associated with at least one port injection solenoid injector and at least one direct injection solenoid injector as an injector pair.
- a common fuel supply system GFS is provided for the respective port injection solenoid injector and the respective direct-injection solenoid injector, which are assigned as an injector pair to the respective cylinder.
- This comprises a storage tank TA as storage device for the gaseous fuel GF.
- the gaseous fuel is preferably CNG (compressed natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), H 2 (hydrogen), etc. stored in the storage tank TA.
- a fuel supply line FP leads to a distributor unit DBl.
- this fuel supply line is a
- Pressure reducing device IOV1 inserted, with the aid of which the tank pressure of the gaseous fuel GF, which is discharged from the storage tank TA, down to a lower system pressure of the injector ID can be lowered or lowered. This also allows the supply of gaseous fuel GF to regulate the distribution unit DBL.
- the valve device IOV1 is thereby actuated by the engine control unit ECU via at least one control line SS3 in such a way that the respectively desired target total quantity TV of gaseous fuel, whose introduction into the combustion chamber of the respective cylinder is requested by the engine control unit ECU for the next combustion process, the distribution unit DBl is supplied.
- the distribution unit DBl branches the common
- an electronic pressure control controller PCD1 the pressure for the gaseous fuel in the first supply line PL1 is set.
- the electronic pressure regulator PCDL can thereby be controlled by the engine control unit ECU via a control line SS6 off.
- the second pressure regulator PCD2 in the second supply line PL2 the pressure for the gaseous fuel flowing in there is regulated.
- a distributor unit DB2 is arranged downstream of the pressure regulator PCD1, which distributes the gaseous fuel via individual fuel lines to the individual channel injection solenoid injectors MI1 to MI4 in the finger-shaped intake tube feed sections FI1 to FI4.
- the second fuel supply line PL2 is connected to an injection system CR to which the direct-injection solenoid injectors Dil are coupled in common with DI4.
- the respective port injection solenoid injector such as e.g. With regard to its flow rate FR (see FIG. 3) MI 1 with MI 4 is designed in particular for the injection of small quantities SVO into gaseous fuel GF and is calibrated substantially linearly.
- the respective direct injection solenoid injector such as DiI with DI4 is in terms of its flow rate FR in particular for
- FIG. 2 This injector characteristic of the respective direct-injection solenoid injector and of the respective channel injection solenoid injector is illustrated in FIG. 2 by means of a diagram for the flow rate FR and for the opening time OT of the respective solenoid injector.
- the respective solenoid injector is in particular designed such that it can only change from its closed state into a single, predetermined opening state. This means that it has only a single, predetermined opening stroke and is not teilhubtransport.
- the respective direct-blow solenoid injector and its associated, prefixed channel blow-in solenoid injector as injector pair for each cylinder are thus each characterized in particular by the fact that they each have only two operating states, namely a closed state and an open state. In the opening state of the respective solenoid injector a given flow opening free. The total amount of gaseous fuel which can be blown out by the respective solenoid injector is determined in this way in particular by the opening period.
- Fine metering of a very small or small amount of gaseous fuel GF is an exemplary flow rate curve CMC is drawn. It is substantially rectilinear between the opening timing t ⁇ to which the port injection solenoid injector exits
- Closed state changes to its open state, during which he releases a predetermined opening cross-section.
- the respective channel injection solenoid injector is closed again and has injected a desired total minute amount SVO into its associated finger-shaped suction tube portion during its opening period tC-to.
- Flow rate curve CMC by two spaced-apart calibration points such as CP21 and CP22 clearly defined.
- the respective direct-blow solenoid injector is also characterized by a flow rate curve which essentially has a linear course as a function of the opening time period OT. However, it runs here in the embodiment with a larger, in particular with a 5- to 10 times greater slope than the flow rate curve CMC for the respective Kanaleinblas- Solenoidinjektor.
- This steeper flow rate curve for the respective direct-injection solenoid injector is designated CDC in FIG. It is also uniquely defined by two temporally spaced straight line points CPI1 and CP12.
- the injector characteristic for the respective direct injection Solenoid injector is set such that, after the lapse of a certain opening period, such as from the opening time t ⁇ to the closing time tM, a desired main amount MVO of gaseous fuel is injected into the associated cylinder of this direct-injection solenoid injector.
- the opening and closing of the respective Kanalingeblas- Solinjinj injector and the respective direct injection solenoid injector is carried out via separate control lines from the ECU. These have been omitted here in the figure 1 for the sake of clarity of drawing.
- the following functional method steps are preferably carried out by means of a control logic CL (see FIG. 3) for metering a desired target total quantity TV of gaseous fuel GF whose metering into the combustion chamber of the cylinder is required with the next combustion process to be prepared:
- the control logic CL of Figure 3 performs in step LD load detection and in step RD a speed detection for the internal combustion engine COE.
- step OPD the current operating point of the internal combustion engine COE is determined by a computing / evaluation unit PR of the control logic CL.
- the computing / evaluation unit PR then takes as a function of the load LO or the torque applied to the internal combustion engine COE on the basis of one or more stored maps EC an allocation of quantities for each gaseous fuel to be metered to the respective Kanaleinblas-Solenoidinjektor and the associated direct injection solenoid injector of the cylinder for which the next combustion phase or working phase is being prepared.
- the ratio or the division between the minimum or minimum quantity SVO to be injected by the respective channel injection solenoid injector and the main quantity MVO to be injected is determined by the associated direct injection solenoid injector in order to produce a total desired target total quantity TV in the combustion chamber of the respectively in the next working cycle to ignite cylinder to bring.
- This distribution of the respective desired target total quantity TV of gaseous fuel to that channel injection solenoid injector and the direct injection solenoid injector, which are assigned as a pair to the cylinder currently to be filled with fuel, such as here CY1, is illustrated in FIG.
- a block DIS Depending on the respective current operating point of the internal combustion engine COE, the cylinder injection solenoid injector assigned to this cylinder, such as, for example, CY1, as here MI1, for example, and the associated direct injection solenoid injector, such as, for example, Di1, are replaced by Computing / evaluation unit PR activated and opened with such opening time periods that in total the respective desired target total amount TV can be introduced into the combustion chamber of the cylinder currently to be prepared for a combustion cycle.
- the cylinder injection solenoid injector assigned to this cylinder such as, for example, MI1, as here MI1, for example
- Di1 the associated direct injection solenoid injector
- a driving operation for the port injection solenoid injector is indicated by a block ACMI and the driving operation for the direct injection solenoid injector Dil is indicated by a block ACDI.
- a precontrol PCMI and for direct injection solenoid injector Dil a precontrol PCDI performed by the computing / evaluation unit PR.
- the fine metering of the injection quantity of gaseous fuel for the respective active channel injection solenoid injector can be advantageously additionally controlled or controlled. This is indicated in FIG. 3 by a block FGV.
- FIG. 4 illustrates, on the basis of a table MDS, an advantageous drive strategy for the respective injector pair of channel injection solenoid injector and associated direct injection solenoid injector of each cylinder of the internal combustion engine of FIG. 1 in different operating states:
- gaseous fuel GF promotes in the input-side, finger-shaped Saugrohrabites this cylinder such as CYl through the arranged there Kanaleinblas-Solenoid injector such as MIl (which is positioned behind the throttle device,) the Entdrosselung, whereby charge cycle losses of the throttle device TH are reduced .
- gaseous fuels with high anti-knocking properties such as natural gas (CNG)
- CNG natural gas
- EGR exhaust gas recirculation
- the intake manifold pressure MAP becomes greater than when idling, but remains even smaller than the level of the ambient pressure AMP (MAP ⁇ AMP).
- the respective cylinder prefferably prepared for combustion such as CYl the associated direct injection solenoid injector such as Dil in addition to the associated Kanaleinblas-Solenoidinjektor such as MIl activated, ie superimposed.
- the direct-blow solenoid injector supplies a basic amount of gaseous fuel into the combustion chamber of the cylinder for which the metering of a certain target total fuel amount TV is required, while the fine metering by the associated port injection solenoid injector by injecting a minute or minute amount takes place on gaseous fuel.
- exhaust gas is expediently recycled in order to utilize the advantages of dethrottling.
- the exhaust gas recirculation rate can be used as a control parameter for load fine tuning.
- the intake manifold pressure MAP corresponds in particular substantially to the level of the ambient air pressure AMP.
- the port injection solenoid injector corresponding to the respective cylinder to be filled with a given target fuel quantity TV, e.g. CYl is assigned, preferably hidden, i. deactivated, and the fuel metering exclusively via its direct injection solenoid injector such as. Dil performed.
- MAP AMP
- the direct-blow solenoid injector such as the direct injection solenoid injector
- Dil of the respective cylinder to be filled e.g. CYl controlled by the engine control unit ECU to prevent fresh air filling losses by fuel partial pressure in the intake manifold.
- the required full load quantity determines the upper limit of the design of the component with respect to the flow at a given system pressure.
- the injection start is expediently designed in such a way that the one or more gas exchange inlet valves of the cylinder to be metered are already closed in order to avoid the effect of fresh air inflow inhibition described in the upper section.
- Existing camshaft adjusting devices and other actuating elements engaging in the air path are expediently positioned in such a way that maximum fresh air filling is ensured.
- a blowing device for metering and distributing gaseous fuel into the combustion chamber of the respective cylinder of an internal combustion engine, wherein the intake manifold of the air intake tract of the
- the respective Kanaleinblas-Solenoidinjektor is in terms of his Flow rate is designed especially for the injection of small and very small amounts of gaseous fuel and calibrated substantially linear.
- the respective Kanaleinblas-Solenoidinjektor is preferably designed for maximum such high engine loads, from which a complete Entdrosselung in the air intake tract is no longer possible.
- the respective direct-blow solenoid injector is designed with regard to its flow rate in particular for the injection of a major amount of gaseous fuel and is calibrated substantially linearly.
- substantially or exclusively only its associated port injection solenoid injector is actively activated, and deactivates its direct injection solenoid injector.
- an exhaust gas recirculation system is provided, which causes a Entdrosselungs bin for idling and low load range of the internal combustion engine for the air intake tract.
- the cylinder individual injection of a small or very small amount of gaseous fuel into the combustion chamber this cylinder for the fine dosage of one there for its respective
- each cylinder its associated port injection solenoid injector and associated direct injection solenoid injector are in view of their injection amounts gaseous fuel in particular as a function of the tank pressure in the storage tank of the gaseous fuel divided.
- the tank pressure can fall below the system pressure of the injector of eg 20 bar.
- the direct injection is only possible if the remaining injection pressure is significantly higher than the cylinder internal pressure.
- this is less critical, since the injection is carried out only against the lower than the inner cylinder pressure intake manifold pressure of about less than 1 bar.
- a quantitative displacement of the respective direct-injection solenoid injector to its associated channel injection is expediently carried out.
- Solenoid injector performed. This means that, compared with the state in which the tank is predominantly filled, when the tank is empty, when the tank pressure equals or falls below the system pressure of the injector, more gaseous fuel will pass through the respective port injection solenoid injector than before and through it the associated direct blow solenoid injector is injected with slightly less gaseous fuel.
- Internal combustion engine is preferably deactivated for the respective cylinder whose associated Kanaleinblas-Solenoidinjektor, and only the Sparinblas- Solenoidinjektor active.
- the respective direct-blow solenoid injector is expediently activated and controlled such that the fuel injection of the respective direct-injection solenoid injector is started only after closing the one or more gas exchange intake valves of the respective cylinder.
- any existing camshaft phaser and / or further engaging in the air intake tracters are such positioned to provide maximum fresh air charge for the cylinders during full load operation.
- both the respective port injection solenoid injector and the respective direct injection solenoid injector are expediently activated up to 100% in order to supply the required maximum total amount of gaseous fuel GF to be introduced.
- a common fuel supply system is provided for the respective channel injection solenoid injector and the respective direct injection solenoid injector.
- Timing of the start of fuel injection of the respective direct-blow solenoid injector preferably forms a load-regulating parameter for the internal combustion engine in this operating range.
- a contrast modified driving strategy is appropriate.
- the degree of compression of a compressor CO is also set via a control line SS2, which is arranged upstream of the throttle device TH in the air intake tract IS in the inflow direction AFD and with which the incoming fresh air mass FA is compressed.
- the cylinder injection solenoid injector associated with the respective cylinder is nevertheless actuated by the engine control unit ECU. Its introduced gas quantity is used only for fine tuning with respect to the Kraftstoffeinblasemenge. This allows primarily the mixture formation in the intake manifold IM and thus but also the gas / air mixing in the combustion chamber of the respective zuig improve filling cylinder, whereby its tendency to knock is reduced.
- both injectors ie both the respective port injection solenoid injector and the respective direct injection solenoid injector associated with the respective cylinder, are preferably energized at up to 100%, respectively be required to deliver required total fuel amount in the combustion chamber of the respective cylinder.
- the maximum available for the gas injection time period per cycle is utilized. This depends in particular on the direct injection solenoid injector from the cylinder internal pressure, since only then gas can be introduced into the cylinder when the gas pressure is higher than the cylinder internal pressure.
- a blowing device In general terms, a blowing device is provided whose direct injection and channel blowing
- Solenoid injectors for different operating ranges of an internal combustion engine can be flexibly activated or deactivated. It is in this injection device at least one direct blow solenoid injector and at least one duct blow solenoid injector positioned behind the throttle device and associated with the respective cylinder of the internal combustion engine to be filled. Both the introduction of fuel, in particular channel injection into the respective finger-shaped suction pipe section (KE injection) and the fuel injection directly into the combustion chamber (DE injection) thus take place behind the throttle device of the air intake tract.
- KE injection finger-shaped suction pipe section
- DE injection fuel injection directly into the combustion chamber
- a sparger having at least one direct blow solenoid injector behind the choke device for coarse or main dosing and at least one channel blow solenoid injector in the respective finger-shaped suction tube section behind the throttle device for
- Fine dosing in particular makes it possible to replace complicated and expensive piezo injectors and their complex control systems.
- the injection device according to the figure 1 for dosing and allocating a desired target total amount of gaseous fuel in the combustion chamber of the cylinder to be filled cylinder of an internal combustion engine at least one Kanaleinblas- Solenoidinj in the immediate vicinity of this cylinder in the input-side, finger-shaped Saugrohrabrough behind the Throttle device and at least one
- Direct injection solenoid injector directly on this cylinder is an accurate cylinder selective fuel metering that allows coverage of a relatively large operating range of supercharged and non-supercharged internal combustion engines, as well as ease of illustration or feasibility of fuel mass flow rate required in supercharged internal combustion engines.
- the gaseous fuel may be injected directly into the combustion chamber (direct injection DE) by means of at least one port injection solenoid injector and / or in accordance with the principle of internal mixture formation by means of at least one direct injection solenoid injector according to the principle of external mixture formation in the intake manifold ector be introduced to fill the combustion chamber of the respective cylinder.
- direct injection DE direct injection DE
- Such Einblasevoriques makes it possible to meter both at idle lowest fuel quantities with high accuracy, as well as to deliver large injection amounts of gaseous fuel in full load operation in order to realize the respective required engine power.
- Solenoid injector and direct injection solenoid injector which is assigned to the respective cylinder as an injector pair, comes with the limited system pressure of the Fuel supply system. Because a pressure reducer reduces the tank pressure, in particular of more than 200 bar, to system pressure, in particular to about 20 bar.
- both injectors which are provided per cylinder to be filled, are supplied by the same fuel system, whereby no additional components or expenses are necessary.
- the positioning of the injector pair per cylinder downstream of the throttle device, the linear design (calibration) and the above-described control strategy of the respective injector pair result in particular the following advantages:
- optimized engine operating state changes e.g., from part load to thrust and then overrun fuel cut
- the Kanaleinblas- Solenoidinjektor is positioned for the respective cylinder as close to the gas inlet valve.
- the paths of passage for the gaseous fuel from the point of introduction into the combustion chamber of the respective cylinder to be filled with a gaseous fuel quantity are shortened compared to the injection method of DE 103 339 854 A1 and DE 10 2004 043 934. This allows a much improved and more accurate metering of fuel than with partial or total injection before the drogue.
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- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Abstract
Eine Einblasvorrichtung (ID) zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff (GF) in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (CY1 mit CY4) eines Verbrennungsmotors (COE), dessen Saugrohr (IM) im Luftansaugtrakt (IS) in fingerförmige Saugrohrabschnitte (FI1 mit FI4) zu den einzelnen Zylindern (CY1 mit CY4) des Verbrennungsmotors (COE) verzweigt, weist in Lufteinströmrichtung (AFD) betrachtet nach der Drosselvorrichtung (TH) des Luftansaugtrakts (IS) im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt (FI1 mit FI4) des Saugrohrs (IM) mindestens einen Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MI1 mit MI4) und mindestens einen Direkteinblas-Solenoidinjektor (DI1 mit DI4) am jeweiligen Zylinder (CY1 mit CY4) auf.
Description
Beschreibung
Einblasvorrichtung für gasförmigen Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor, zugehöriges Verfahren sowie Steuergerät
Bei der Brennkraftmaschine der DE 103 39 854 Al wird mit Hilfe eines ersten Brennstoffeinblasventils eine erste gasförmige Brennstoffmenge vor einem Verdichter in eine Saugrohreinrichtung eingebracht, so dass ein Gas- Luft- Vorgemisch gebildet wird. Durch die starke Vermischung im Verdichter und die langen Wege durch die Saugrohreinrichtung bis zum jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine wird eine starke Homogenisierung des Gas-Luft-Vorgemisches erzielt.
Zusätzlich wird eine zweite gasförmige Brennstoffmenge, die gegenüber der ersten eingebrachten gasförmigen Brennstoffmenge kleiner ist, mit Hilfe wenigstens eines zweiten, kleineren Brennstoffeinblasventils hinter dem Verdichter in die Saugrohreinrichtung eingeblasen. Da diese später zugeführte, kleinere Gasmenge in das bereits gut homogenisierte Gas-Luft-Gemisch eingeblasen wird, stellt sich für sie ebenfalls eine gute Vermischung ein.
Beim Betriebsverfahren der Brennkraftmaschine der DE 10 2004 043 934 Al wird ebenfalls schon vor einem Verdichter und vor einer Drosselklappe eine gasförmige Brennstoff- Grundmenge mittels eines ersten Brennstoffeinblasventils in die Luftzufuhrleitung der Brennkraftmaschine zur Durchmischung mit angesaugter Frischluft eingebracht. Im
Zylindereinlassbereich dieser Brennkraftmaschine wird das derart erzeugte Vorgemisch entweder innerhalb der Saugrohreinrichtung der Brennkraftmaschine oder im Brennraum des jeweiligen Zylinders durch mindestens ein zweites Brennstoffeinblasventil, das hinter der Drosselklappe angeordnet ist, mit einer gasförmigen Brennstoff-Hauptmenge angereichert. Dabei wird die Hauptmenge durch das jeweilige zweite Brennstoffeinblasventil mit einem höheren
Brennstoffdruck als die Grundmenge durch das erste Brennstoffventil eingeblasen. Insbesondere wird die Brennstoff-Grundmenge maximal einem Drittel der Gesamtbrennstoffmenge gewählt, die sich beim jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine aus der Summe der Brennstoff-Grundmenge und der Hauptmenge ergibt.
Beim derartigen Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Gemisch aus einem gasförmigen Kraftstoff wie zum Beispiel CNG („compressed natural gas"), LPG („liquified petroleum gas"), H2 (Wasserstoff), usw. ... und Frischluft ist in der Praxis eine ausreichend genaue Kraftstoffmengen-Zumessung bzw. - Dosierung in den Brennraum des jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors erschwert. Hohe Anforderungen an die Exaktheit der Dosierung einer gasförmigen Kraftstoffmenge für den jeweilig gewünschten Verbrennungsvorgang im jeweiligen Zylinder werden dabei insbesondere im Instationärbetrieb, d.h. bei Dynamikänderungen wie zum Beispiel Drehzahländerungen oder Laständerungen des Verbrennungsmotors gestellt. Zwar ermöglichen bereits Piezo-Injektoren eine
Kraftstoffmengen-Zumessung bzw. -Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs mit hoher Präzision. Diese sind aber konstruktiv und ansteuerungstechnisch unter einer Vielzahl praktischer Gegebenheiten zu aufwendig, zu kompliziert und zu teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zum Dosieren und Zuteilen einer gewünschten Soll-Gesamtmenge an gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines Verbrennungsmotors eine Einblasvorrichtung bereitzustellen, die mit relativ einfachen Komponenten auskommt und dennoch in präzise kontrollierbarer Weise eine weitgehend exakte zylinderindividuelle Kraftstoffmengenzuteilung bzw. - zumessung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch folgende erfindungsgemäße Einblasvorrichtung gelöst:
Einblasvorrichtung zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines
Verbrennungsmotors, wobei das Saugrohr des Luftansaugtrakts des Verbrennungsmotors in fingerförmige Saugrohrabschnitte zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verzweigt, wobei in Lufteinströmrichtung betrachtet nach der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt des Saugrohrs mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinj ektor vorgesehen ist, und wobei mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor am jeweiligen Zylinder vorgesehen ist.
Bei dieser Einblasvorrichtung sind sowohl der Kanaleinblas- Solenoidinjektor als auch der jeweilige Direkteinblas- Solenoidinjektor in Einströmrichtung des Luftansaugtrakts betrachtet hinter dessen Drosselvorrichtung im unmittelbaren Nahbereich des jeweiligen Zylinders positioniert. Dadurch sind Laufzeiteinflüsse im Luftansaugtrakt auf die Dosierung und Zuteilung der gasförmigen Kraftstoffmenge in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders weitgehend vermieden. Es kann in präzise kontrollierbarer Weise eine gewünschte SoIl- Gesamtmenge an gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors, d.h. zylinderselektiv, für den jeweilig gewünschten Verbrennungsvorgang eingebracht werden. Komplizierte und teuere Piezo-Injektoren sowie deren aufwendige Ansteuer- oder Regelungssysteme sind somit nicht erforderlich.
Die erfindungsgemäße Einblasvorrichtung eignet sich insbesondere für „Low-Cost"-Anwendungen wie zum Beispiel in Kleinfahrzeugen .
Die Erfindung betrifft auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines Verbrennungsmotors, dessen Saugrohr im Luftansaugtrakt in fingerförmige Saugrohrabschnitte zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verzweigt, mit Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinj ektor, der in Lufteinströmrichtung betrachtet nach der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts
im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt des Saugrohrs angeordnet ist, und mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas- Solenoidinj ektors am jeweiligen Zylinder.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf ein Steuergerät mit einer Steuerlogik zum Einstellen einer
Einblasvorrichtung, insbesondere nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines Verbrennungsmotors, dessen Saugrohr im
Luftansaugtrakt in fingerförmige Saugrohrabschnitte zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verzweigt, in Lufteinströmrichtung betrachtet nach der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt des Saugrohrs mindestens einen
Kanaleinblas-Solenoidinjektor und mindestens einen Direkteinblas-Solenoidinj ektor am jeweiligen Zylinder aufweist .
Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Übersichtsdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einblasvorrichtung für einen Kraftfahrzeug-
Verbrennungsmotor, der mit einem gasförmigen Kraftstoff betrieben wird, wobei die Einblasvorrichtung für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors mindestens einen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und mindestens einen zugehörigen Direkteinblas- Solenoidinjektor umfasst,
Figur 2 in schematischer Darstellung die
Injektorcharakteristika eines Kanaleinblas- Solenoidinj ektors und eines Direkteinblas- Solenoidinjektors der Einblasvorrichtung von Figur 1, die als Injektorenpaar einem der
Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordnet sind,
Figur 3 in schematischer Darstellung ein vorteilhaftes Ablaufverfahren in der Steuerlogik eines
Steuergeräts zur Einstellung des jeweiligen Kanaleinblas- Solenoidinjektors sowie des jeweilig zugeordneten Direkteinblas- Solenoidinjektors der Einblasvorrichtung von Figur 1, die als Injektorenpaar einem der
Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordnet sind, und
Figur 4 in schematischer Tabellendarstellung vorteilhafte Ansteuerstrategien zur
Einstellung des jeweiligen Injektorenpaars aus einem Kanaleinblas- Solenoidinjektor sowie einem zugeordneten Direkteinblas- Solenoidinjektor der Einblasvorrichtung von Figur 1 in verschiedenen Betriebszuständen des
Verbrennungsmotors .
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 mit 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt in schematischer Übersichtsdarstellung einen vierzylindrigen Ottomotor als beispielhaften Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotor COE mit einer vorteilhaften Einblasvorrichtung ID für gasförmige Kraftstoffe, die nach dem erfindungsgemäßen Konstruktions- und Funktionsprinzip ausgebildet ist. Die Einblasvorrichtung ID dient dazu, eine gewünschte Soll-Gesamtmenge TV (siehe Figur 3) an gasförmigem Kraftstoff GF in die Brennkammer desjenigen Zylinders des
Verbrennungsmotors COE dosiert einzubringen, für den der nächste Verbrennungsvorgang entsprechend der Abfolge der Verbrennungszyklen der Zylinder des Verbrennungsmotors COE vorbereitet wird. Der Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor COE weist einen Luftansaugtrakt IS auf. Durch dessen eingangsseitiges Luftfilter AF strömt Frischluft FA in den Luftansaugtrakt IS ein. Sie wird in Einströmrichtung AFD betrachtet einer nachfolgenden Drosselvorrichtung TH, insbesondere Drosselklappe, zugeführt. Mit Hilfe der Drosselvorrichtung TH lässt sich regulieren bzw. einstellen, welche Durchflussmenge an Frischluft in ein nachgeordnetes Saugrohr IM einströmt. Die Drosselvorrichtung TH sitzt dabei am Eingang dieses Saugrohrs IM. Ihre ein oder mehreren Stellelemente lassen sich über mindestens eine Steuerleitung SSl vom Motor-Steuergerät ECU des Verbrennungsmotors COE aus derart einstellen, dass ein gewünschter Durchflussquerschnitt für die in das Saugrohr IM einströmende Frischluftmasse bewirkt ist.
Das Saugrohr IM weist einen allen Zylindern zugeordneten, gemeinsamen Saugrohrabschnitt CT auf, von dem aus fingerförmige Endabschnitte zu den Gaseinlassventilen der einzelnen Zylinder CYl mit CY4 des Motorblocks MB des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors COE verzweigen. Hier im Ausführungsbeispiel eines Ottomotors mit vier Zylindern CYl mit CY4 gehen vier fingerförmige Endabschnitte FIl mit FI4 vom gemeinsamen Saugrohrabschnitt CT an die Gaseinlassventile IVl mit IV4 der vier Zylinder CYl mit CY4 des Motorblocks des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors COE. Die einzelnen Zylinder CYl mit CY4 stoßen über ihre jeweiligen Gasauslassventile EVI mit EV4 verbrannte Kraftstoff-/Luftgemische als Abgase während ihrer Ausstoßungstakte in einen Abgastrakt ES aus. Die Abgase aus den Brennkammern der einzelnen Zylinder CYl mit CY4 des Motorblocks MB gelangen über zylinderselektive Abgasrohre in einen gemeinsamen Abgaskrümmer EM und werden als zusammengeführter Abgasstrom EG durch das Abgasrohrsystem des Abgastrakts ES mindestens einer AbgasreinigungsVorrichtung, insbesondere
Katalysatorvorrichtung CAT zugeführt. Hier im Ausführungsbeispiel eines Ottomotors mit vier Zylindern ist der Katalysatorvorrichtung CAT mindestens eine Lambdasonde LP vorangestellt oder in diese integriert. Die Lambdasonde LP misst den jeweils aktuellen Lambdawert, d.h. das Verhältnis Luft zu Brennstoff im Vergleich zu deren stöchiometrischen Gemisch, und teilt ein dafür repräsentatives Messsignal LSS über eine Messleitung MLl dem Motor-Steuergerät ECU mit. Anstelle eines Katalysators kann ggf. auch ein sonstiges Abgasreinigungssystem wie z.B. ein Partikelfiltersystem oder ein sonstiges Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen sein. Das Motorsteuergerät ECU übernimmt die Kontrolle und Regelung der Abgasreinigungsvorrichtung CAT über eine Steuerleitung SS5.
Weiterhin ist hier im Ausführungsbeispiel von Figur 1 ein
Abgasrückführsystem ERC vorgesehen. Dieses weist mindestens ein Verbindungsrohr vom Abgasrohr des Abgastrakts ES zum Saugrohr IM auf. Durch diesen Abgasrückführungszweig kann ein Teil RG des Abgasstroms EG von der Ausgangsseite des Verbrennungsmotors COE zum eingangsseitigen Saugrohr IM zurückgeführt werden. Die Abgasrückführrate des Abgasrückführsystems ERC lässt sich dabei mit Hilfe mindestens einer Ventilsteuervorrichtung RCV regulieren. Diese wird vom Motor-Steuergerät ECU über eine Steuerleitung SS4 aus angesteuert. Durch die Abgasrückführung wird eine vorgebbare Abgasmenge zum Frischgemisch bzw. zur angesaugten Frischluft FA hinzugeführt. Der Einsatz der Abgasrückführung bewirkt zum einen eine Minderung der NOx-Emissionen bei Otto- und Dieselmotoren. Zum anderen bewirkt sie insbesondere eine Entdrosselung im Luftansaugtrakt und mindert etwaige Drosselverluste der Drosselvorrichtung TH.
Um nun den Verbrennungsmotor COE mit einem gasförmigen Kraftstoff GF betreiben zu können, weist dieser eine Einblasvorrichtung ID zum Dosieren und Zuteilen einer gewünschten Soll-Gesamtmenge TV an gasförmigem Kraftstoff GF in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders CYl mit CY4 des Motorblocks MB des Verbrennungsmotors COE zur Vorbereitung
des jeweiligen Verbrennungstakts innerhalb des Verbrennungszyklus jedes Zylinders auf. Sie umfasst hier im Ausführungsbeispiel von Figur 1 eine Vielzahl von Kanaleinblas- Solenoidinjektoren MIl mit MI4, die in Lufteinströmrichtung AFD betrachtet nach der
Drosselvorrichtung TH im unmittelbaren Nahbereich der Gaseinlassventile IVl mit IV4 der Zylinder CYl mit CY4 in den zylinderselektiven, fingerförmigen Saugrohrabschnitten IM angeordnet sind. Die Kanaleinblas- Solenoidinjektoren sind jeweils derart ausgebildet, dass mit ihnen die Einblasung einer Kleinst- oder Kleinmenge SVO (siehe Figuren 2, 3) an gasförmigem Kraftstoff GF in die fingerförmigen Saugrohrabschnitte FIl mit FI4 des Saugrohrs IM ermöglicht ist, um von dort aus jeweils eine gewünschte Kleinst- oder Kleinmenge feindosiert in die Brennkammer des jeweiligen
Zylinders individuell, d.h. zylinderspezifisch einbringen zu können, wenn dessen Gaseinlassventil im jeweiligen Ansaugtakt geöffnet wird.
Gleichzeitig weist die Einblasvorrichtung ID direkt an jedem Zylinder CYl mit CY4 jeweils einen Direkteinblas- Solenoidinjektor Dil mit DI4 auf. Der jeweilige Direkt- einblas-Solenoidinj ektor ermöglicht es, eine Direkteinblasung einer Hauptmenge MVO (siehe Figuren 2, 3) an gasförmigem Kraftstoff GF in dessen Brennraum zur Grobdosierung einer gewünschten Soll-Gesamtmenge TV vornehmen zu können. Dabei weist der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor MIl mit MI4 vorzugsweise eine 1/5 bis 1/10 geringere Durchflussrate FR als der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor Dil mit DI4 auf. Insbesondere ist es zweckmäßig, in jedem fingerförmigen Endabschnitt des Saugrohrs IM des Luftansaugtrakts jeweils einen Kanaleinblas- Solenoidinjektor möglichst unmittelbar vor der jeweiligen Einlassöffnung des jeweiligen Zylinders anzuordnen. Der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor MIl mit MI4 ist vorzugsweise wenige Zentimeter, insbesondere zwischen 3 und 6 Zentimeter, vor dem jeweiligen Einlasskanal der Brennkammer des jeweiligen Zylinders CYl mit CY4 in dessen eingangsseitigem, fingerförmigem Saugrohr-
Zufuhrabschnitt FIl mit FI4 vorgesehen. Allgemein betrachtet ist somit der Brennkammer jedes Zylinders mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinj ektor und mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor als Injektorenpaar zugeordnet.
Für den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und den jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektor, die als Injektorenpaar dem jeweiligen Zylinder zugeordnet sind, ist ein gemeinsames KraftstoffVersorgungssystem GFS vorgesehen. Dieses umfasst einen Vorratstank TA als Speichervorrichtung für den gasförmigen Kraftstoff GF. Als gasförmiger Kraftstoff wird vorzugsweise CNG („compressed natural gas"), LPG („liquified petroleum gas"), H2 (Wasserstoff), usw. ... im Vorratstank TA bevorratet. Vom Vorratstank TA führt eine Kraftstoffzufuhrleitung FP zu einer Verteilereinheit DBl. In diese Kraftstoffzufuhrleitung ist eine
Druckminderungsvorrichtung IOV1 eingefügt, mit deren Hilfe sich der Tankdruck des gasförmigen Kraftstoffs GF, der aus dem Vorratstank TA ausgelassen wird, auf einen niedrigeren Systemdruck der Einblasvorrichtung ID herunterbringen bzw. erniedrigen lässt. Damit lässt sich auch die Zufuhr an gasförmigem Kraftstoff GF zu der Verteilereinheit DBl regulieren. Die Ventilvorrichtung IOV1 wird dabei über mindestens eine Steuerleitung SS3 vom Motor-Steuergerät ECU aus derart angesteuert, dass die jeweilig gewünschte Soll- Gesamtmenge TV an gasförmigem Kraftstoff, deren Einbringung in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders für den nächsten Verbrennungsvorgang durch das Motorsteuergerät ECU angefordert wird, der Verteilereinheit DBl zugeführt wird. Die Verteilereinheit DBl verzweigt die gemeinsame
Zufuhrleitung FP in eine erste Zufuhrleitung PLl für die einzelnen Kanaleinblas-Solenoidinjektoren MIl mit MI4 sowie in eine zweite Zufuhrleitung PL2 für die Direkteinblas- Solenoidinjektoren Dil mit DI4. Mit Hilfe eines elektronischen Druckkontrollreglers PCDl wird der Druck für den gasförmigen Kraftstoff in der ersten Zufuhrleitung PLl eingestellt. Der elektronische Druckregler PCDl lässt sich dabei vom Motorsteuergerät ECU über eine Steuerleitung SS6
aus ansteuern. In entsprechender Weise wird mit Hilfe des zweiten Druckreglers PCD2 in der zweiten Zufuhrleitung PL2 der Druck für den dort einströmenden gasförmigen Kraftstoff reguliert. In der ersten Zufuhrleitung PLl ist nach dem Druckregler PCDl eine Verteilereinheit DB2 angeordnet, die über individuelle Kraftstoffleitungen den gasförmigen Kraftstoff an die einzelnen Kanaleinblas-Solenoidinjektoren MIl mit MI4 in den fingerförmigen Saugrohrzufuhrabschnitten FIl mit FI4 verteilt. Die zweite Kraftstoffzufuhrleitung PL2 ist an ein Einspritzsystem CR angeschlossen, an das die Direkteinblas-Solenoidinj ektoren Dil mit DI4 gemeinsam angekoppelt sind.
Der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor wie z.B. MIl mit MI4 ist hinsichtlich seiner Durchflussrate FR (siehe Figur 3) insbesondere für die Einblasung von Kleistmengen SVO an gasförmigem Kraftstoff GF ausgelegt und im Wesentlichen linear kalibriert. Korrespondierend dazu ist der jeweilige Direkt-einblas-Solenoidinj ektor wie zum Beispiel Dil mit DI4 hinsichtlich seiner Durchflussrate FR insbesondere für die
Einblasung einer Hauptmenge MVO an gasförmigem Kraftstoff GF ausgelegt und ebenfalls im Wesentlichen linear kalibriert. Diese Injektorcharakteristik des jeweiligen Direkteinblas- Solenoidinjektors sowie des jeweiligen Kanaleinblas- Solenoidinj ektors ist in der Figur 2 anhand eines Diagramms für die Durchflussmenge FR sowie für die Öffnungszeit OT des jeweiligen Solenoidinjektors veranschaulicht. Dabei ist der jeweilige Solenoidinjektor insbesondere derart ausgebildet, dass er lediglich von seinem Schließzustand in einen einzigen, vorgegebenen Öffnungszustand wechseln kann. Dies bedeutet, dass er nur einen einzigen, vorgegebenen Öffnungshub aufweist und nicht teilhubfähig ist. Der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor sowie sein zugehöriger, vorangestellter Kanaleinblas-Solenoidinjektor als Injektorenpaar für jeden Zylinder zeichnen sich also jeweils insbesondere dadurch aus, dass sie jeweils nur zwei Betriebszustände aufweisen, nämlich einen Schließzustand sowie einen Öffnungszustand. Im Öffnungszustand gibt der
jeweilige Solenoidinjektor eine vorgegebene Durchflussöffnung frei. Die Gesamtmenge an gasförmigen Kraftstoff, die durch den jeweiligen Solenoidinjektor ausgeblasen werden kann, wird auf diese Weise insbesondere durch die Öffnungszeitdauer festgelegt. Entlang der Abszisse des Diagramms von Figur 2 ist die Öffnungszeitdauer OT des jeweiligen
Solenoidinj ektors, sowie entlang der Ordinaten die zugehörige Durchflussmenge FR des jeweiligen Kanaleinblas- sowie Direkteinblas- Solenoidinjektors aufgetragen. Für den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor, der der
Feindosierung einer Kleinst- oder Kleinmenge an gasförmigem Kraftstoff GF dient, ist eine beispielhafte Durchflussmengenkurve CMC eingezeichnet. Sie verläuft im Wesentlichen geradlinig zwischen dem Öffnungszeitpunkt tθ, zu dem der Kanaleinblas-Solenoidinjektor von seinem
Schließzustand in seinen Öffnungszustand wechselt, während dem er einen vorgegebenen Öffnungsquerschnitt freigibt. Zum Zeitpunkt tC wird der jeweilige Kanaleinblas- Solenoidinjektor wieder geschlossen und hat während seiner Öffnungszeitdauer tC-tO eine gewünschte Gesamt-Kleinstmenge SVO in den zugeordneten fingerförmigen Saugrohrabschnitt eingeblasen. Dabei ist diese geradlinige
Durchflussmengenkurve CMC durch zwei voneinander zeitlich beabstandete Kalibrierpunkte wie z.B. CP21 und CP22 in eindeutiger Weise festgelegt. Auch der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor ist durch eine Durchflussmengenkurve charakterisiert, die im Wesentlichen einen linearen Verlauf in Abhängigkeit von der Öffnungszeitdauer OT aufweist. Sie verläuft jedoch hier im Ausführungsbeispiel mit einer größeren, insbesondere mit einer 5- bis 10- fach größeren Steigung als die Durchflussmengenkurve CMC für den jeweiligen Kanaleinblas- Solenoidinjektor. Diese steiler verlaufende Durchflussmengenkurve für den jeweiligen Direkteinblas- Solenoidinjektor ist in der Figur 2 mit CDC bezeichnet. Sie ist ebenfalls in eindeutiger Weise durch zwei zeitlich beabstandete Geradenpunkte CPIl und CP12 definiert. Die Injektorcharakteristik für den jeweiligen Direkteinblas-
Solenoidinj ektor ist derart vorgegeben, dass von diesem nach Ablauf eines bestimmten Öffnungszeitraums wie z.B. vom Öffnungszeitpunkt tθ bis zum Schließzeitpunkt tM eine gewünschte Hauptmenge MVO an gasförmigen Kraftstoff in den zugeordneten Zylinder dieses Direkteinblas-Solenoidinjektor eingeblasen wird. Durch die lineare
Durchflussmengencharakteristik des jeweiligen Direkteinblas- Solenoidinjektors und seines vorangestellten, zugeordneten Kanaleinblas-Solenoidinj ektors, die jedem Zylinder als Injektorenpaar zugeordnet sind, ergibt sich insgesamt in Überlagerung eine lineare Abhängigkeit für die Gesamteinblasemenge an gasförmigen Kraftstoff, die bei Betätigung bzw. Aktivierung beider Solenoidinjektoren in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders insgesamt eingeblasen werden kann, von der Öffnungszeitdauer OT. Dadurch ist die Ansteuerung eines Injektorenpaares aus Direkteinblas- Solenoidinjektor sowie aus zugehörigem, vorangestelltem Kanaleinblas-Solenoidinjektor vereinfacht möglich. Aufwendige Regelmechanismen und Ansteuerungssysteme für diese Solenoidinjektoren können somit in vorteilhafter Weise entfallen .
Da die Durchflussmengenkurven CMC, CDC für den jeweiligen Kanaleinblasinjektor bzw. Direkteinblas-Solenoidinjektor als Geraden ausgebildet sind, reicht es aus, für die jeweilige Durchflussmengenkurve lediglich zwei Kalibierpunkte im Motorsteuergerät ECU zu hinterlegen. Die jeweilige Durchflussmengenkurve kann dann aus den hinterlegten Kalibrierpunkten vom Motorsteuergerät ECU als Funktion ermittelt werden.
Das Öffnen und Schließen des jeweiligen Kanaleinblas- Solenoidinj ektors und des jeweiligen Direkteinblas- Solenoidinjektors wird über separate Steuerleitungen vom Steuergerät ECU aus durchgeführt. Diese sind hier in der Figur 1 der zeichnerischen Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.
Im Motorsteuergerät ECU werden mittels einer Steuerlogik CL (siehe Figur 3) vorzugsweise folgende funktionalen Verfahrensschritte zur Dosierung einer gewünschten Soll- Gesamtmenge TV an gasförmigem Kraftstoff GF durchgeführt, deren Zumessung in die Brennkammer des Zylinders mit dem nächsten vorzubereitenden Verbrennungsvorgang gefordert wird:
Die Steuerlogik CL von Figur 3 führt im Schritt LD eine Lasterfassung sowie im Schritt RD eine Drehzahlerfassung für den Verbrennungsmotor COE durch. Im Schritt OPD wird der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsmotors COE von einer Rechen-/Auswerteeinheit PR der Steuerlogik CL bestimmt. Die Rechen-/Auswerteeinheit PR nimmt dann in Abhängigkeit von der Last LO bzw. dem Drehmoment, mit dem der Verbrennungsmotor COE aktuell beaufschlagt ist, anhand einer oder mehrerer abgespeicherter Kennfelder EC eine Mengenaufteilung für den jeweilig zuzumessenden, gasförmigen Kraftstoff auf den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und den zugehörigen Direkteinblas-Solenoidinj ektor desjenigen Zylinders vor, für den die nächste Verbrennungsphase bzw. Arbeitsphase vorbereitet wird. Es wird also das Verhältnis bzw. die Aufteilung zwischen der einzublasenden Kleinst- oder Kleinmenge SVO durch den jeweiligen Kanaleinblas- Solenoidinjektor sowie der einzublasenden Hauptmenge MVO durch den zugehörigen Direkt-einblas-Solenoidinjektor ermittelt, um insgesamt eine gewünschte Soll-Gesamtmenge TV in die Brennkammer des jeweilig im nächsten Arbeitstakt zu zündenden Zylinders einzubringen. Diese Aufteilung der jeweilig gewünschten Soll-Gesamtmenge TV an gasförmigem Kraftstoff auf denjenigen Kanaleinblas- Solenoidinjektor und denjenigen Direkteinblas- Solenoidinjektor, die als Paar dem aktuell mit Kraftstoff zu füllenden Zylinder wie z.B. hier CYl zugeordnet sind, ist in der Figur 3 durch einen Block DIS veranschaulicht. Abhängig vom jeweilig aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors COE werden dann der diesem Zylinder wie z.B. CYl zugeordnete Kanaleinblas- Solenoidinjektor wie hier z.B. MIl sowie der zugehörige Direkteinblas- Solenoidinjektor wie hier z.B. Dil durch die
Rechen-/Auswerteeinheit PR aktiviert und mit derartigen Öffnungszeitdauern geöffnet, dass in Summe die jeweilig gewünschte Soll-Gesamtmenge TV in die Brennkammer des aktuell für einen Verbrennungstakt vorzubereitenden Zylinders eingebracht werden kann. In der Figur 3 ist der
Ansteuerungsvorgang für den Kanaleinblas-Solenoidinjektor durch einen Block ACMI sowie der Ansteuerungsvorgang für den Direkteinblas-Solenoidinjektor Dil durch einen Block ACDI angedeutet. Vorzugsweise wird dabei sowohl für den Kanaleinblas-Solenoidinjektor eine Vorsteuerung PCMI als auch für denn Direkteinblas-Solenoidinjektor Dil eine Vorsteuerung PCDI durch die Rechen-/Auswerteeinheit PR durchgeführt.
Mit Hilfe des Messsignals LSS der Lambdasonde LP lässt sich in vorteilhafter Weise zusätzlich die Feindosierung der Einblasemenge an gasförmigem Kraftstoff für den jeweilig aktiven Kanaleinblas-Solenoidinjektor kontrollieren bzw. steuern. Dies ist in der Figur 3 durch einen Block FGV angedeutet .
Figur 4 veranschaulicht anhand einer Tabelle MDS eine vorteilhafte Ansteuerstrategie für das jeweilige Injektorenpaar aus Kanaleinblas-Solenoidinjektor und zugeordnetem Direkteinblas-Solenoidinjektor jedes Zylinders des Verbrennungsmotors von Fig. 1 in verschiedenen Betriebs zuständen :
1. Leerlauf und Niedriglastbereich (Teillast) :
Im Betriebszustand des Leerlaufs sowie des Niedriglastbereichs, der durch einen sehr niedrigen bis niedrigen Saugrohrdruck MAP im Saugrohr gegenüber dem Umgebungsluftdruck AMP gekennzeichnet ist (MAP<<AMP und MAP<AMP) , wird in vorteilhafter Weise ausschließlich der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor eingesetzt, der dem jeweilig für eine Verbrennung vorzubereitenden Zylinder wie z.B. CYl zugeordnet ist. Dadurch wird im Leerlauf, im unteren und mittleren Teillastbereich des Verbrennungsmotors COE eine gute Dosierbarkeit des gasförmigen Kraftstoffs GF im
Kleinstmengenbereich weitgehend sichergestellt. Weiterhin fördert die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs GF in den eingangsseitigen, fingerförmigen Saugrohrabschnitt dieses Zylinders wie z.B. CYl durch den dort angeordneten Kanaleinblas-Solenoidinj ektor wie z.B. MIl (, der hinter der Drosselvorrichtung positioniert ist, ) die Entdrosselung, wodurch Ladungswechselverluste der Drosselvorrichtung TH vermindert werden. Zusätzlich kann es zweckmäßig sein, mit Hilfe des Abgasrückführsystem ERC eine Abgasrückführung zur weiteren Entdrosselung durchzuführen. Insbesondere ermöglichen gasförmige Kraftstoffe mit hoher Klopffestigkeit wie z.B. Erdgas (CNG) hohe EGR („exhaust gas recirculation") - Raten, d.h. hohe Abgasrückführraten .
2. Obere Teillast:
In diesem Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors wird der Saugrohrdruck MAP größer als im Leerlauf, bleibt aber noch kleiner als das Niveau des Umgebungsdrucks AMP (MAP < AMP) . Dabei wird zweckmäßigweise für den jeweilig für eine Verbrennung vorzubereitenden Zylinder wie z.B. CYl der zugehörige Direkteinblas—Solenoidinjektor wie z.B. Dil zusätzlich zum zugehörigen Kanaleinblas-Solenoidinjektor wie z.B. MIl aktiviert, d.h. eingeblendet. Dabei liefert der Direkteinblas-Solenoidinjektor eine Grundmenge bzw. eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des Zylinders, für den die Zumessung einer bestimmten Soll- Kraftstoffgesamtmenge TV gefordert wird, während die Feindosierung durch den zugeordneten Kanaleinblas- Solenoidinjektor durch Einblasung einer Klein- oder Kleinstmenge an gasförmigem Kraftstoff erfolgt. Dies gewährleistet eine hohe Kraftstoffdosiergenauigkeit . Im oberen Teillastbereich wird also mit Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors, der in Lufteinströmrichtung des Luftansaugtrakts des Verbrennungsmotors betrachtet nach dessen Drosselvorrichtung im unmittelbaren Nahbereich des jeweiligen Zylinders in dessen eingangsseitigen, fingerförmigen Saugrohr angeordnet ist, eine Kleinstmenge an gasförmigem Kraftstoff in dieses
Saugrohr zur Feindosierung der in den jeweiligen Zylinder für dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtmenge eingeblasen, und zugleich mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinjektors an jedem Zylinder eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff in dessen Brennkammer zur Grobdosierung der in den jeweiligen Zylinder für dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtmenge direkt eingeblasen .
Nach wie vor wird zweckmäßigerweise Abgas rückgeführt, um die Vorteile einer Entdrosselung zu nutzen. Darüber hinaus kann die Abgasrückführrate als Steuerparameter zum Lastfeintuning eingesetzt werden.
3. Oberste Teillast:
In diesem obersten Teillastbereich entspricht der Saugrohrdruck MAP insbesondere im Wesentlichen dem Niveau des Umgebungsluftdrucks AMP. Im obersten Teillastbetrieb, vorzugsweise nahe der Volllast, wird der Kanaleinblas- Solenoidinjektor, der dem jeweilig mit einer bestimmten Soll- Kraftstoffmenge TV zu füllenden Zylinder wie z.B. CYl zugeordnet ist, vorzugsweise ausgeblendet, d.h. deaktiviert, und die Kraftstoffzumessung ausschließlich bzw. allein über dessen Direkteinblas-Solenoidinjektor wie z.B. Dil durchgeführt. Ein Entdrosselungseffekt über den
Abgasrückführstrom ist nicht mehr zu erreichen, da die Drosselvorrichtung dann ohnehin fast vollständig geöffnet ist. Als Steuerparameter dient vorzugsweise der Zeitpunkt des Einblasbeginns. Wird Gas in den Brennraum eingeblasen, solange die Gaswechseleinlassventile des Zylinders noch geöffnet sind, wird ein bestimmtes Volumen des Brennraums des jeweiligen Zylinders von gasförmigem Kraftstoff eingenommen, so dass das Zuströmen von Frischluft gehemmt wird. Dieser Steuervorgang kann durch Einsatz von Nockenwellenphasenstellern ergänzt und optimiert werden. Insbesondere werden die Gaseinlassventile vor dem Gaseinblasen mit dem Direkteinblas-Solenoidinjektor geschlossen .
4 . Volllast :
Im Betriebszustand der Volllast hat der Saugrohrdruck MAP im Wesentlichen das Niveau des Umgebungsluftdrucks AMP (MAP=AMP) . Auch in diesem Betriebszustand der Volllast wird ausschließlich der Direkteinblas-Solenoidinjektor wie z.B. Dil des jeweilig zu füllenden Zylinders wie z.B. CYl durch das Motorsteuergerät ECU angesteuert, um Frischluftfüllungsverluste durch Kraftstoffpartialdruck im Saugrohr zu vermeiden. Die erforderliche Volllastmenge bestimmt dabei die obere Grenze der Auslegung der Komponente in Bezug auf den Durchfluss bei gegebenem Systemdruck. Der Einblasbeginn wird zweckmäßigweise derart ausgelegt, dass die ein oder mehreren Gaswechseleinlassventile des zuzumessenden Zylinder bereits geschlossen sind, um den im oberen Abschnitt beschriebenen Effekt der Frischluftzuströmhemmung zu vermeiden. Vorhandene Nockenwellenverstelleinrichtungen und weitere in den Luftpfad eingreifende Stellorgane werden zweckmäßigweise so positioniert, dass maximale Frischluftfüllung gegeben ist.
Zusammenfassend betrachtet ist also eine Einblasvorrichtung zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei das Saugrohr des Luftansaugtrakts des
Verbrennungsmotors in fingerförmige Saugrohrabschnitte zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verzweigt, wobei in Lufteinströmrichtung betrachtet nach der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt des Saugrohrs mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinj ektor vorgesehen ist, und wobei mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor am jeweiligen Zylinder vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise ist der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor unmittelbar, insbesondere wenige Zentimeter, vor dem Einlasskanal der Brennkammer seines zugeordneten Zylinders in dessen eingangsseitigem, fingerförmigem Saugrohrabschnitt vorgesehen. Der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor ist hinsichtlich seiner
Durchflussrate insbesondere für die Einblasung von Klein- und Kleinstmengen an gasförmigem Kraftstoff ausgelegt und im Wesentlichen linear kalibriert ist. Der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor ist dabei vorzugsweise maximal für solch hohe Motorlasten ausgelegt, ab denen eine vollständige Entdrosselung im Luftansaugtrakt nicht mehr möglich ist. Der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor ist hinsichtlich seiner Durchflussrate insbesondere für die Einblasung einer Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff ausgelegt und im Wesentlichen linear kalibriert ist.
In vorteilhafter Weise ist im Leerlauf und unteren bis mittleren Niedriglastbereich des Verbrennungsmotors für den jeweiligen Zylinder im Wesentlichen oder ausschließlich lediglich dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor aktiv geschaltet, und dessen Direkteinblas-Solenoidinjektor deaktiviert. Zur Befüllungssteuerung der Brennkammer des jeweiligen Zylinders mit Luft ist zweckmäßigerweise zusätzlich ein Abgasrückführsystem vorgesehen ist, das für den Luftansaugtrakt einen Entdrosselungseffekt im Leerlauf und Niedriglastbereich des Verbrennungsmotors bewirkt.
Zweckmäßigerweise wird ab dem Zeitpunkt, ab dem eine vollständige Entdrosselung im Luftansaugtrakt nicht mehr möglich ist, im oberen Teillastbereich des Verbrennungsmotors für den jeweiligen Zylinder zusätzlich zu dessen zugeordnetem Kanaleinblas- Solenoidinjektor, der der zylinderindividuellen Einblasung einer Klein- oder Kleinstmenge an gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum dieses Zylinders zur Feindosierung einer dorthinein für dessen jeweiligen
Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtfüllmenge dient, der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor zur zylinderindividuellen Direkteinblasung einer Hauptmenge der einzubringenden Soll-Gesamtfüllmenge aktiv geschaltet.
Für den jeweiligen Zylinder sind dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor und zugeordneter Direkteinblas- Solenoidinjektor hinsichtlich ihrer Einblasemengen an
gasförmigem Kraftstoff insbesondere in Abhängigkeit vom Tankdruck im Vorratstank des gasförmigen Kraftstoffs aufgeteilt. Im Fall, dass der Tankinhalt weitgehend vollständig genutzt wird, d.h. der Tank weitgehend leer gefahren wird, kann der Tankdruck unter den Systemdruck der Einblasvorrichtung von z.B. 20 bar fallen. Die Direkteinblasung ist aber nur dann möglich, wenn der verbleibende Einblasedruck signifikant höher als der Zylinderinnendruck ist. Bei der Kanaleinblasung durch den jeweiligen Kanaleinblas- Solenoidinjektor ist dies weniger kritisch, da die Einblasung nur gegen den gegenüber dem Zylinderinnendruck niedrigeren Saugrohrdruck von etwa kleiner 1 bar erfolgt. In diesem Fall wird zweckmäßigerweise eine mengenmäßige Verschiebung vom jeweiligen Direkteinblas- Solenoidinjektor zu dessen zugeordnetem Kanaleinblas-
Solenoidinjektor durchgeführt. Dies bedeutet, dass gegenüber dem Zustand, zu dem der Tank überwiegend gefüllt ist, beim Leerfahren des Tanks dann, wenn der Tankdruck etwa dem Systemdruck der Einblasvorrichtung entspricht oder unter diesen fällt, mehr gasförmiger Kraftstoff durch den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor als zuvor und dafür durch den zugeordneten Direkteinblas-Solenoidinjektor etwas weniger gasförmiger Kraftstoff eingeblasen wird.
Im obersten Teillastbereich und Volllastbereich des
Verbrennungsmotors ist für den jeweiligen Zylinder dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor vorzugsweise deaktiviert, und lediglich dessen Direkteinblas- Solenoidinjektor aktiv geschaltet. Im obersten Teillastbereich und Volllastbereich des Verbrennungsmotors ist der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor zweckmäßigerweise derart aktiviert und gesteuert, dass die Kraftstoffeinblasung des jeweiligen Direkteinblas- Solenoidinjektors erst nach dem Schließen der ein oder mehreren Gaswechseleinlassventile des jeweiligen Zylinders gestartet ist. Vorzugsweise sind ein etwaig vorhandener Nockenwellenphasensteller und/ oder weitere in den Luftansaugtrakt eingreifenden Stellorgane derart
positioniert, dass im Volllastbetrieb maximale Frischluftfüllung für die Zylinder bereitgestellt ist. Im Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors sind zweckmäßigerweise sowohl der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor als auch der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor bis zu 100 % angesteuert, um die geforderte maximal einzubringende Soll- Gesamtmenge an gasförmigem Kraftstoff GF zu liefern. Für den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor und den jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektor ist dabei insbesondere ein gemeinsames Kraftstoffversorgungssystem vorgesehen. Der
Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinblasung des jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektors bildet in diesem Betriebsbereich vorzugsweise einen Lastregulativparameter für den Verbrennungsmotor.
Aufgeladene Motoren:
Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren ist eine demgegenüber abgewandelte Ansteuerstrategie zweckmäßig. Mit Hilfe des Motor-Steuergeräts ECU wird über eine Steuerleitung SS2 auch der Verdichtungsgrad eines Verdichters CO eingestellt, der in Einströmrichtung AFD betrachtet vor der Drosselvorrichtung TH im Luftansaugtrakt IS angeordnet ist und mit dem die einströmende Frischluftmasse FA komprimiert wird.
In aufgeladenen Betriebsbereichen, in denen der Saugrohrdruck MAP größer als der Umgebungsdruck AMP (MAP > AMP) ist, wird mit dem Direkteinblas-Solenoidinjektor des jeweiligen Zylinders eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff eingebracht, um dem Verdichter wie z.B. COM im
Luftansaugtrakt IS möglichst wenig oder gar keinen zusätzlichen Widerstand entgegenzusetzen. Der dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Kanaleinblas-Solenoidinjektor wird aber dennoch vom Motorsteuergerät ECU mit angesteuert. Seine eingebrachte Gasmenge dient lediglich zum Feintuning bezüglich der Kraftstoffeinblasemenge . Dadurch lässt sich primär die Gemischbildung im Saugrohr IM und damit aber auch die Gas-/Luftvermischung im Brennraum des jeweilig zu
füllenden Zylinders verbessern, wodurch dessen Klopfneigung verringert wird. Bei Maximallast bzw. Volllast (mit MAP>>AMP) werden vorzugsweise beide Injektoren, d.h. sowohl der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor als auch der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor, der dem jeweiligen Zylinder zugeordnet ist, vorzugsweise mit bis zu 100% angesteuert, um die jeweilig geforderte Brennstoffgesamtmenge in dem Brennraum des jeweiligen Zylinders liefern zu können. Unter 100% Ansteuerung des jeweiligen Kanaleinblas- Solenoidinjektor sowie des zugehörigen Direkteinblas- Solenoidinjektor wird dabei insbesondere verstanden, dass der maximal für die Gaseinblasung zur Verfügung stehende Zeitraum pro Arbeitsspiel ausgenutzt wird. Dieser hängt insbesondere beim Direkteinblas-Solenoidinjektor vom Zylinderinnendruck ab, da nur dann Gas in den Zylinder eingebracht werden kann, wenn der Gasdruck höher als der Zylinderinnendruck ist.
Allgemein betrachtet wird also bei aufgeladenem Motor im oberen Teillastbereich mit Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors, der in Lufteinströmrichtung des Luftansaugtrakts des Verbrennungsmotors betrachtet nach dessen Drosselvorrichtung im unmittelbaren Nahbereich des jeweiligen Zylinders in dessen eingangsseitigen, fingerförmigen Saugrohr angeordnet ist, eine Kleinstmenge an gasförmigem Kraftstoff in dieses Saugrohr zur Feindosierung der in den jeweiligen Zylinder für dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll-Gesamtmenge eingeblasen, und zugleich mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinjektors an jedem Zylinder eine Hauptmenge an gasförmigem Kraftstoff in dessen Brennkammer zur Grobdosierung der in den jeweiligen Zylinder für dessen Arbeitstakt einzubringenden Soll- Gesamtmenge direkt eingeblasen.
Allgemein ausgedrückt ist eine Einblasvorrichtung bereitgestellt, deren Direkteinblas- und Kanaleinblas-
Solenoidinjektoren für unterschiedliche Betriebsbereiche eines Verbrennungsmotors flexibel aktivierbar oder deaktivierbar sind. Dabei ist bei dieser Einblasevorrichtung
mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor als auch mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor hinter der Drosselvorrichtung positioniert und dem jeweilig zu füllenden Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordnet. Sowohl die Kraftstoffeinbringung, insbesondere Kanaleinblasung in den jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt (KE-Einblasung) als auch die Kraftstoffeinblasung direkt in den Brennraum (DE-Einblasung) erfolgen also hinter der Drosselvorrichtung des Luftansaugtrakts. Bei einer derartigen Einblasvorrichtung, bei der sowohl der Kanaleinblas- Solenoidinjektor als auch der jeweilige Direkteinblas- Solenoidinjektor in Einströmrichtung des Luftansaugtrakts betrachtet hinter dessen Drosselvorrichtung im unmittelbaren Nahbereich des jeweiligen Zylinders positioniert sind, werden Laufzeiteinflüsse des Luftansaugtrakts auf die Zuteilung der gasförmigen Kraftstoffmenge in die Brennkammer des jeweilig zu füllenden Zylinders weitgehend vermieden. Auf diese Weise kann präzise kontrollierbar eine gewünschte Soll-Gesamtmenge an gasförmigem Kraftstoff in die Brennkammer des jeweilig zu füllenden Zylinders des Verbrennungsmotors, d.h. zylinderselektiv, für den jeweilig gewünschten Verbrennungsvorgang eingebracht werden. Würde hingegen ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor vor der Drosselvorrichtung positioniert werden, so würde eine exakte Kraftstoffzumessung insbesondere im Instationärbetrieb aufgrund zu langer
Laufzeiten des eingeblasenen Gases vom Einblaseort bis in den Brennraum des jeweilig zu füllenden Zylinders beeinträchtigt werden, d.h. es würde zu Kraftstoff- Fehldosierungen kommen. In Folge solcher Fehldosierungen würden sich Lambdafehler ergeben, die generell, insbesondere bei Verbrennungsaussetzern, zu „Nachkat"-
Emissionsverschlechterungen sowie zu einem verschlechterten Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors führen würden. Lambda-Fehler würden sich dann ergeben, wenn die eingebrachte Gasmenge verhältnismäßig nicht zu der für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse passt.
Eine Einblasvorrichtung mit mindestens einem Direkteinblas- Solenoidinjektor hinter der Drosselvorrichtung zur Grob- oder Hauptdosierung und mindestens einem Kanaleinblas- Solenoidinjektor im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt hinter der Drosselvorrichtung zur
Feindosierung ermöglicht insbesondere, komplizierte und teuere Piezo-Injektoren sowie deren aufwendige Ansteuer- und Regelungssysteme zu ersetzen. Bei der Einblasvorrichtung entsprechend der Figur 1, die zum Dosieren und Zuteilen einer gewünschten Soll-Gesamtmenge an gasförmigen Kraftstoff in die Brennkammer des jeweilig zu füllenden Zylinders eines Verbrennungsmotors mindestens einen Kanaleinblas- Solenoidinj ektor im unmittelbaren Nahbereich dieses Zylinders in dessen eingangsseitigem, fingerförmigen Saugrohrabschnitt hinter der Drosselvorrichtung und mindestens einen
Direkteinblas-Solenoidinjektor direkt an diesem Zylinder umfasst, ist eine exakte zylinderselektive Kraftstoffzumessung, die Abdeckung eines relativ großen Betriebsbereichs aufgeladener und nicht aufgeladener Verbrennungsmotoren, sowie eine einfache Darstellbarkeit bzw. Realisierbarkeit des bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren erforderlichen Kraftstoffmassendurchsatzes ermöglicht.
Der gasförmige Kraftstoff kann nach dem Prinzip der äußeren Gemischbildung in das Saugrohr (Kanaleinblasung-KE) mit Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors und/oder nach dem Prinzip der inneren Gemischbildung direkt in den Brennraum (Direkteinblasung-DE) mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinj ektors zur Füllung des Brennraums des jeweiligen Zylinders eingebracht werden. Eine derartige Einblasevorrichtung ermöglicht es, sowohl im Leerlauf geringste Kraftstoffmengen hochgenau zu dosieren, als auch im Volllastbetrieb große Einblasmengen an gasförmigen Kraftstoff zu liefern, um die jeweils geforderte Motorleistung realisieren zu können. Die Kombination aus Kanaleinblas-
Solenoidinjektor und Direkteinblas-Solenoidinjektor, die dem jeweiligen Zylinder als Injektorenpaar zugeordnet ist, kommt dabei mit dem begrenzten Systemdruck des
KraftstoffVersorgungssystems aus. Denn ein Druckminderer verringert den Tankdruck, insbesondere von mehr als 200 bar, auf Systemdruck, insbesondere auf ca. 20 bar.
Auf diese Weise sind zur Realisierung eines direkteinspritzenden, mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors keine teuren Piezo-Injektoren erforderlich, sondern es können herkömmliche, kostengünstige und serienmäßig verfügbare Solenoide verwendet werden. Das Verfahren hat weiterhin den Vorteil, dass es nicht auf monovalente Fahrzeuge beschränkt ist, sondern problemlos in bivalenten Kraftstoffeinspritzsystemen eingesetzt werden kann. Vorteilhaft können beide Injektoren, die pro zu füllendem Zylinder vorgesehen sind, vom selben KraftstoffSystem versorgt werden, wodurch keine zusätzlichen Bauteile oder Aufwendungen notwenig sind. Durch die Positionierung des Injektorpaars pro Zylinder nach der Drosselvorrichtung, der linearen Auslegung (Kalibrierung) und der oben erläuterten Ansteuerstrategie des jeweiligen Injektorenpaars ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
- Abdeckung eines weiten Betriebsbereichs für Motoren ohne und mit Aufladung
- niedrigste Totzeiten und damit optimiertes Ansprechverhalten im Stationärbetrieb
- optimierte Motorbetriebszustandwechsel (z.B. von Teillast auf Schub und dann Schubabschalten)
- exakte zylinderselektive Kraftstoffdosierung in allen Motorbetriebsbereichen - geringe Emissionen
- maximale Entdrosselung und damit geringe Ladungswechselverluste (optimierter Ladungswechsel)
- hoher Verbrennungswirkungsgrad
- hoher Gesamtwirkungsgrad, - minimierter spezifischer Kraftstoffverbrauch
- geringerer Absolut-Kraftstoffverbrauch gegenüber konventionellen EinblasVorrichtungen
Vorteilhaft ist insbesondere, dass der Kanaleinblas- Solenoidinjektor für den jeweiligen Zylinder möglichst nahe an dessen Gaseinlassventil positioniert ist. Dadurch sind die Laufwege für den gasförmigen Kraftstoff vom Einbringungsort bis in die Brennkammer des jeweilig mit einer gasförmigen Kraftstoffmenge zu füllenden Zylinders gegenüber dem Einblaseverfahren der DE 103 339 854 Al sowie DE 10 2004 043 934 verkürzt. Dies erlaubt eine wesentlich verbesserte und exaktere Kraftstoffzumessung als bei einer Teilmengeneinblasung oder Gesamtmengeneinblasung vor der DrosseiVorrichtung .
Claims
1. Einblasvorrichtung (ID) zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff (GF) in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (CYl mit CY4) eines Verbrennungsmotors (COE), wobei das Saugrohr (IM) des Luftansaugtrakts (IS) des Verbrennungsmotors (COE) in fingerförmige Saugrohrabschnitte (FIl mit FI4) zu den einzelnen Zylindern (CYl mit CY4) des Verbrennungsmotors (COE) verzweigt, wobei in Lufteinströmrichtung (AFD) betrachtet nach der Drosselvorrichtung (TH) des Luftansaugtrakts (IS) im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt (FIl mit FI4) des Saugrohrs (IM) mindestens ein Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) vorgesehen ist, und wobei mindestens ein Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) am jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) vorgesehen ist.
2. Einblasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) unmittelbar, insbesondere wenige Zentimeter, vor dem Einlasskanal der Brennkammer seines zugeordneten Zylinders (CYl mit CY4) in dessen eingangsseitigem, fingerförmigem Saugrohrabschnitt (FIl mit FI4) vorgesehen ist.
3. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) hinsichtlich seiner Durchflussrate (FR) für die
Einblasung von Klein- und Kleinstmengen (SVO) an gasförmigem Kraftstoff (GF) ausgelegt und im Wesentlichen linear kalibriert ist.
4. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) maximal für solch hohe Motorlasten ausgelegt ist, ab denen eine vollständige Entdrosselung im Luftansaugtrakt (IS) nicht mehr möglich ist.
5. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) hinsichtlich seiner Durchflussrate (FR) für die
Einblasung einer Hauptmenge (MVO) an gasförmigem Kraftstoff (GF) ausgelegt und im Wesentlichen linear kalibriert ist.
6. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf und unteren bis mittleren Niedriglastbereich des Verbrennungsmotors (COE) für den jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) im Wesentlichen oder ausschließlich lediglich dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) aktiv geschaltet ist, und dass dessen Direkteinblas- Solenoidinjektor (Dil mit DI4) deaktiviert ist.
7. Einblasvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befüllungssteuerung der Brennkammer des jeweiligen Zylinders (CYl mit CY4) mit Luft zusätzlich ein Abgasrückführsystem (ERC) vorgesehen ist, das für den Luftansaugtrakt (IS) einen Entdrosselungseffekt im Leerlauf und Niedriglastbereich des Verbrennungsmotors (COE) bewirkt.
8. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ab dem Zeitpunkt, ab dem eine vollständige Entdrosselung im Luftansaugtrakt (IS) nicht mehr möglich ist, im oberen Teillastbereich des Verbrennungsmotors (COE) für den jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) zusätzlich zu dessen zugeordnetem Kanaleinblas- Solenoidinjektor (MIl mit MI4), der der zylinderindividuellen Einblasung einer Klein- oder Kleinstmenge (SV) an gasförmigem Kraftstoff (GF) in den Brennraum dieses Zylinders zur Feindosierung einer dorthinein für dessen jeweiligen Arbeitstakt einzubringenden Soll- Gesamtfüllmenge (TV) dient, der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) zur zylinderindividuellen Direkteinblasung einer Hauptmenge (MVO) der einzubringenden Soll-Gesamtfüllmenge (TV) aktiv geschaltet ist.
9. Einblasvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) und Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) hinsichtlich ihrer Einblasemengen an gasförmigen Kraftstoff (GF) in Abhängigkeit vom Tankdruck im Vorratstank (TA) des gasförmigen Kraftstoffs (GF) aufgeteilt sind.
10. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im obersten Teillastbereich und Volllastbereich des
Verbrennungsmotors (CEO) für den jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) deaktiviert ist, und dass lediglich dessen Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) aktiv geschaltet ist.
11. Einblasvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im obersten Teillastbereich und Volllastbereich des Verbrennungsmotors (CEO) der jeweilige Direkteinblas- Solenoidinjektor (Dil mit DI4) derart aktiviert und gesteuert ist, dass die Kraftstoffeinblasung des jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinj ektors (Dil mit DI4) erst nach dem Schließen der ein oder mehreren Gaswechseleinlassventile des jeweiligen Zylinders (CYl mit CY4) gestartet ist.
12. Einblasvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein etwaig vorhandener Nockenwellenphasensteller und/ oder weitere in den Luftansaugtrakt (IS) eingreifenden Stellorgane derart positioniert sind, dass im Volllastbetrieb maximale Frischluftfüllung für die Zylinder (CYl mit CY4) bereitgestellt ist.
13. Einblasvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 mit 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors (COE) sowohl der jeweilige Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) als auch der jeweilige Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) bis zu 100 % angesteuert sind, um die geforderte maximal einzubringende Soll-Gesamtmenge (TV) an gasförmigem Kraftstoff (GF) zu liefern.
14. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) und den jeweiligen Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) ein gemeinsames Kraftstoffversorgungssystem (GFS) vorgesehen ist.
15. Einblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei aufgeladenem Verbrennungsmotor (COE) im aufgeladenen Betriebszustand für den jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) sowohl dessen zugeordneter Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) als auch dessen zugeordneter Direkteinblas- Solenoidinjektor (Dil mit DI4) aktiviert sind, und dass dieser Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) der Einblasung einer Hauptmenge (MVO) an gasförmigem Kraftstoff (GF) und der jeweilig zugehörige Kanaleinblas- Solenoidinjektor (MIl mit MI4) der feindosierten Einblasung einer Klein- oder Kleinstmenge (SVO) an gasförmigem Kraftstoff (GF) in die Brennkammer des Zylinders (CYl mit CY4) zur Befüllung mit einer einzubringenden Soll- Gesamtfüllmenge (TV) an gasförmigem Kraftstoff (GF) dient.
16. Verfahren zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff (GF) in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (CYl mit CY4) eines Verbrennungsmotors (COE), dessen Saugrohr (IM) im Luftansaugtrakt (IS) in fingerförmige Saugrohrabschnitte (FIl mit FI4) zu den einzelnen Zylindern (CYl mit CY4) des Verbrennungsmotors (COE) verzweigt, insbesondere nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Hilfe mindestens eines Kanaleinblas-Solenoidinjektors (MIl mit MI4), der in Lufteinströmrichtung (AFD) betrachtet nach der Drosselvorrichtung (TH) des Luftansaugtrakts (IS) im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt (FIl mit FI4) des Saugrohrs (IM) angeordnet ist, und mit Hilfe mindestens eines Direkteinblas-Solenoidinj ektors (Dil mit DI4) am jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) .
17. Steuergerät (ECU) mit einer Steuerlogik (CL) zum Einstellen einer Einblasvorrichtung (ID), insbesondere nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die zum Dosieren und Zuteilen von gasförmigem Kraftstoff (GF) in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (CYl mit CY4) eines Verbrennungsmotors (COE), dessen Saugrohr (IM) im Luftansaugtrakt (IS) in fingerförmige Saugrohrabschnitte (FIl mit FI4) zu den einzelnen Zylindern (CYl mit CY4) des Verbrennungsmotors (COE) verzweigt, in Lufteinströmrichtung (AFD) betrachtet nach der Drosselvorrichtung (TH) des Luftansaugtrakts (IS) im jeweiligen fingerförmigen Saugrohrabschnitt (FIl mit FI4) des Saugrohrs (IM) mindestens einen Kanaleinblas-Solenoidinjektor (MIl mit MI4) und mindestens einen Direkteinblas-Solenoidinjektor (Dil mit DI4) am jeweiligen Zylinder (CYl mit CY4) aufweist.
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