WO2010063613A1

WO2010063613A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2010063613A1
Application number: PCT/EP2009/065697
Authority: WO
Inventors: Alexander Schenck Zu Schweinsberg; Klaus Ries-Mueller
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2010-06-10
Also published as: DE102008044242A1; EP2370679A1

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine angegeben, die mindestens einen Brennraum (15) mit einem von einem Einlassventil (17) verschließbaren Einlass (18), dem ein Luftansaugkanal (21) vorgeordnet ist, eine in den Brennraum (15) eingeführte Zündkerze (35) und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (27) aufweist, die pro Brennraum (15) ein direkt in den Brennraum (15) einspritzendes Hochdruckeinspritzventil (28) und ein Kraftstoff in den Luftansaugkanal (21) einspritzendes Niederdruckeinspritzventil (29) aufweist. Zur Realisierung eines strahlgeführten, zu kleinen Drehzahlen hin ausgeweiteten Schichtbetriebs zwecks Senkung des Kraftstoffverbrauchs und Erzielung eines stabilen Leerlaufs ist das Hochdruckeinspritzventil (28) als ein mehrere Kraftstoffstrahlen abspritzendes Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil (28) ausgebildet und so angeordnet, dass es zentral in den Brennraum (15) einspritzt und dabei mindestens ein Kraftstoffstrahl zur Zündkerze (35) gerichtet ist.

Description

Beschreibung

Titel Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine bekannte Brennkraftmaschine (WO 2006/095515 A1 ) weist mindestens einen Verbrennungszylinder mit einem von einem Zylinderkopf und einem Hubkolben begrenzten Brennraum sowie eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung auf. Der Brennraum ist mit einem von einem Einlassventil verschließbaren Einlass und mit einem von einem Auslassventil verschließbaren Auslass versehen. Zu dem Ein- lass ist ein Luftansaugkanal geführt, während der Auslass an einem Abgasstrang angeschlossen ist. Zum Einleiten eines Verbrennungsprozesses im Brennraum ragt der Zündkopf einer Zündkerze zentral in den Brennraum hinein. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist pro Verbrennungszylinder bzw. Brennraum zwei Einspritzventile auf, von denen ein erstes Einspritzventil Kraftstoff direkt in den Brennraum und ein zweites Einspritzventil Kraftstoff in den Luftansaugkanal, dem

Einlassventil vorgelagert, abspritzt.

Bei Brennkraftmaschinen mit einer solchen dualen Kraftstoffeinspritzvorrichtung, auch Dual-Injection-System genannt, bei dem die Direkteinspritzung in den Brennraum mit dem ersten Einspritzventil mit Hochdruck und die sog. Saugrohreinspritzung in den

Luftansaugkanal mit dem zweiten Einspritzventil mit Niederdruck erfolgt, können die Vorteile beider Einspritzarten durch entsprechende, betriebspunktabhängige Umschal- tung genutzt werden. Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil sich ein strahlgeführter Schichtbetrieb realisieren und zu kleinen Drehzahlen hin erweitern lässt, wodurch der

Kraftstoffverbrauch gesenkt und ein stabilerer Leerlauf erzielt wird. Durch den die Zündkerze erfassenden, buschigen Strahl des Mehrloch-Hochdruckeinspritzventils mit einem großen Strahlkegel und geringer Penetration ist eine gezielte Schichteinspritzung möglich. Gleichzeitig wird das Anspritzen der Brennraumwand stark verringert, mit dem Vorteil einer geringeren Ölverdünnung. Im Kaltstart wird mittels des Mehrloch-

Hochdruckeinspritzventils infolge der sehr kleine Kraftstofftröpfchen die Gemischaufbereitung stark verbessert, womit eine Emissionsreduktion einhergeht. Die Aufteilung der Kraftstoffeinspritzung auf zwei unterschiedlich ausgelegte Einspritzventile hat den Vorteil, dass jedes Einspritzventil für seine bevorzugte Betriebsweise optimiert werden kann. Dadurch und durch wahlweise getrennte oder gemeinsame Ansteuerung der

Einspritzventile lässt sich der Verbrennungsprozess im Brennraum mit Vermeidung lokaler Überfettung als Ursache für vergrößerte Schadstoffemission und lokaler Ausma- gerung als Ursache des Klopfens in einfacher Weise optimieren. Bei hoher Last lässt sich mit dem Niederdruckeinspritzventil eine bessere Homogenisierung und damit ein Leistungs- bzw. Drehmomentzuwachs erreichen. Durch die insgesamt verbesserte

Gemischaufbereitung wird auch eine verringerte Rußemission erreicht. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen kann die Scavenging-Funktion genutzt werden, da mit dem Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil die Volllastmenge bei kleinen Drehzahlen abgedeckt werden kann. Dadurch wird bei kleinen Drehzahlen ein deutlicher Drehmoment- gewinn erzielt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das in den Luftansaugkanal einspritzende Niederdruckeinspritzventil für einen im Vergleich zum Mehrloch- Hochdruckeinspritzventil deutlich größeren Kraftstoffdurchfluss ausgelegt und kann mindestens 80% der Volllastmenge abdecken. Der von ihm abgespritzte Kraftstoff- Strahlkegel besitzt einen kleinen Kegelwinkel und eine große Penetration direkt in Richtung Einlassventil. Das mit einem deutlich kleineren Durchfluss von weniger als 1/3 der Volllastmenge konzipierte Mehrloch-Hochdruckventil spritzt dagegen einen Kraftstoff-Strahlkegel mit großem Kegelwinkel und geringer Penetration ab.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Mehrloch-

Hochdruckeinspritzventil und Niederdruckeinspritzventil elektrisch ansteuerbare Magnetventile. Solche Magnetventile sind deutlich kostengünstiger als häufig verwendete piezoelektrische Einspritzventile.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Verbrennungszylinders einer

Brennkraftmaschine in Verbindung mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm für Ansteuerungsbereiche der Einspritzventile der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Fig. 1 in Zuordnung zu durch Drehzahl (n) und Last (L) festgelegten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine.

Von einer üblicherweise mehrzylindrigen Brennkraftmaschine für z.B. Kraftfahrzeuge ist in Fig. 1 lediglich ein Verbrennungszylinder 11 ausschnittweise im Längsschnitt schematisiert dargestellt. Der außen mit einem Kühlwassermantel 12 umgebene Verbrennungszylinder 11 ist stirnseitig von einem Zylinderkopf 13 gasdicht abgedeckt. Ein im Verbrennungszylinder 1 1 axial verschieblich geführter Hubkolben 14 begrenzt zusammen mit dem Zylinderkopf 13 einen Brennraum 15. Der Hubkolben 14 ist über ein Pleuel 16 mit einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden, auf die auch die Hubkolben der anderen Verbrennungszylinder wirken.

Der Brennraum 15 weist einen mit einem Einlassventil 17 verschließbaren Einlass 18 und einen mit einem Auslassventil 19 verschließbaren Auslass 20 auf. Zu dem Einlass 18 ist ein Luftansaugkanal 21 für Verbrennungsluft geführt, der aus einem im Zylinderkopf 13 ausgeformten Einlasskanal 22 und einem an den Einlasskanal 22 ange- setzten Saugrohr 23 zusammengesetzt ist. Stromaufwärts sind üblicherweise die Saugrohre 23 mehrerer Verbrennungszylinder 1 1 mittels eines Saugrohrkrümmers zu einem Luftansaugstutzen zusammengefasst, in dem ein Luftsteuerorgan, vorzugsweise eine Drosselklappe, angeordnet ist. Vom Auslass 20 ist ein Abgaskanal 24 abgeführt, der aus einem im Zylinderkopf 13 ausgebildeten Auslasskanal 25 und einem an den Auslasskanal 25 angesetzten Abgasrohr 26 besteht. Die Abgasrohre 26 mehrerer Verbrennungszylinder 1 1 sind stromabwärts über einen Abgaskrümmer zusammengefasst. Zur Einleitung des Verbrennungsprozesses im Brennraum 15 ist in den Zylinderkopf 13 eine Zündkerze 35 eingesetzt, die mit einem Zündkopf 351 in den Brennraum 15 hineinragt.

Zur Kraftstoffversorgung des Brennraums 15 des mindestens einen Verbrennungszylinders 11 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 27 vorgesehen, die pro Verbrennungszylinder 11 bzw. Brennraum 15 zwei elektromagnetische Einspritzventile aufweist. Das eine Einspritzventil ist ein Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28, das über eine Kraftstoffzuleitung 30 an einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 31 angeschlossen ist, die ihrerseits mit einer Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 32 fördernden Kraftstoff- Niederdruckpumpe 33 verbunden ist. Das andere Einspritzventil ist ein Niederdruckeinspritzventil 29, das über eine Kraftstoffzuleitung 34 unmittelbar an die Kraftstoff- Niederdruckpumpe 33 angeschlossen ist. Der Aufbau eines Mehrloch- Hochdruckeinspritzventils ist bekannt und beispielsweise in der EP 1 108 134 B1 beschrieben. Die von dem Einspritzventil abgespritzten Kraftstoffstrahlen werden dabei üblicherweise mit einer Spritzlochscheibe erzeugt, in der mehrere Spritzlöcher vorhanden sind, deren Spritzlochachsen unter einem spitzen Winkel zur Scheibenachse geneigt sind. Das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28 ist in den Zylinderkopf 13 so eingesetzt, dass es zentral in den Brennraum 15 einspritzt, wobei mindestens einer der von dem Einspritzventil 28 abgespritzten Kraftstoffstrahlen zum Zündkopf 351 der zur Zündkerze 35 hin gerichtet ist. Dieser Kraftstoffstrahl ist vorzugsweise buschig, also stark sprayartig aufgefächert, und besitzt eine nur geringe Penetration. Die Zündkerze 35 ist in räumlicher Nähe zum Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28 im Zylinderkopf 13 angeordnet, wobei ihr Abstand von der Zündkerze ca. 20 mm oder weniger beträgt. Das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28 ist so konzipiert, dass der Kegelwinkel des abgespritzten Kraftstoffstrahlkegels groß ist und eine geringere Penetration aufweist. Außerdem ist das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28 für einen kleinen Kraftstoff durchf I uss ausgelegt, der weniger als 1/3 der dem Brennraum 15 zugeführten Volllastmenge beträgt. Das Niederdruckeinspritzventil 29 ist in den Ansaugkanal 21 , im dargestellten Ausführungsbeispiel aus konstruktiven Gründen in das Saugrohr 23, so eingesetzt, dass seine Abspritzrichtung hin zum Einlassventil 17 gerichtet ist. Das Niederdruckein- spritzventil 29 ist für einen großen Kraftstoff durchf I uss ausgelegt, der mehr als 2/3 der

Volllastmenge beträgt. Der von ihm abgespritzte Kraftstoffstrahlkegel weist einen kleinen Kegelwinkel auf und besitzt eine große Penetration. Beispielsweise ist der Kraftstoffdurchfluss des Mehrloch-Hochdruckeinspritzventils 28 mit ca. 20% und der Kraftstoffdurchfluss des Niederdruckeinspritzventils 29 mit ca. 80% bemessen.

Die beiden Einspritzventile 28, 29 pro Brennraum 15 werden von einer elektronischen Steuereinheit 36 abhängig von den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine unterschiedlich angesteuert. Hierzu ist in der Steuereinheit 36, der eine Vielzahl von Betriebsparametern zugeführt werden, ein Diagramm abgespeichert, wie es in Fig. 2 schematisiert dargestellt ist. Zu einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, der durch die Drehzahl n und die von der Brennkraftmaschine abgeforderte Last L festgelegt ist, wird das eine oder andere der beiden Einspritzventile 28, 29 oder werden beide Einspritzventile 28, 29 angesteuert. Der mit 40 gekennzeichnete, schraffierte Bereich im Diagramm weist den Bereich kleiner Teillast aus, in dem nur das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28 zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 15 herangezogen wird. Der mit 41 gekennzeichnete, kreuzschraffierte Bereich dient dem Scavenging, in dem wiederum nur das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28 angesteuert wird, so dass beim Spülen des Brennraums 15 mit Luft nur wenig Kraftstoff in den Brennraum 15 eingespritzt wird und in Richtung Katalysator gelangt. In dem verbleibenden, mit 42 gekennzeichneten Bereich, also bei hohen Drehzahlen und großer Last werden beide Einspritzventile 28, 29 zur Krafteinspritzung angesteuert. Die Ansteuerung des Mehrloch-Hochdruckeinspritzventils 28 erfolgt dabei so, dass nur eine geringe Einspritzmenge in den Brennraum 15 eingespritzt wird, um eine Erhitzung am zentralen Einbauort des Mehrloch-Hochdruckeinspritzventils 28 zu ver- hindern.

Auch die Betriebsart „Katalysator aufheizen" wird mit über das Mehrloch- Hochdruckeinspritzventil 28 eingespritztem Kraftstoff abgedeckt, wobei eine erste Einspritzung zum Saughub des Hubkolbens 14 und eine zweite Einspritzung im Schichtbetrieb abgesetzt wird. Im Startvorgang wird ebenfalls das Mehrloch- Hochdruckeinspritzventil 28 angesteuert, und nur dann, wenn bei geringen Temperaturen die über das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil 28 abgespritzte Kraftstoffmenge nicht mehr ausreicht, wird das Niederdruckeinspritzventil 29 unterstützend angesteuert.

Claims

Ansprüche

1. Brenkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum (15), der ein von einem Einlassventil (17) verschließbaren Einlass (18) mit vorgeordnetem Luftansaugkanal (21 ) aufweist, mit einer in den Brennraum (15) eingeführten Zündkerze (35) und mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (27), die pro

Brennraum (15) ein unter Hochdruck stehenden Kraftstoff direkt in den Brennraum (15) einspritzendes Hochdruckeinspritzventil (28) und ein unter Niederdruck stehenden Kraftstoff in den Luftansaugkanal (21 ) einspritzendes Niederdruckeinspritzventil (29) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckeinspritzventil (28) als ein mehrere Kraftstoffstrahlen abspritzendes Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil (28) ausgebildet und so angeordnet ist, dass es zentral in den Brennraum (15) einspritzt und dabei mindestens ein Kraftstoffstrahl zur Zündkerze (35) gerichtet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das

Niederdruckeinspritzventil (29) für einen im Vergleich zum Mehrloch- Hochdruckeinspritzventil (28) deutlich größeren Kraftstoffdurchfluss ausgelegt ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Kraftstoffdurchfluss des Mehrloch-Hochdruckeinspritzventils (28) weniger als 1/3 und der des Niederdruckeinspritzventils (29) mehr als 2/3 der dem Brennraum (15) zugeführten Volllastmenge beträgt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrloch-Hochdruckeinspritzventil (28) zur Abspritzung eines weit aufgespreizten Kraftstoffstrahlkegels mit großem Kegelwinkel ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederdruckeinspritzventil (29) zum Abspritzen eines we- nig aufgespreizten Kraftstoffstrahlkegels mit kleinem Kegelwinkel ausgebildet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Mehrloch-Hochdruck- und das Niederdruckeinspritzventil

(28, 29) elektrisch ansteuerbare Magnetventile sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckeinspritzventil (28) einen nur geringen Abstand von der Zündkerze (35) aufweist, der vorzugsweise gleich oder kleiner

20 mm ist.