DE102004002296B4

DE102004002296B4 - Kraftstoffeinspritzung und Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff

Info

Publication number: DE102004002296B4
Application number: DE102004002296A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Eiglmeier Christian; Dr.-Ing. Wurms Rainer; Michael Kuhn
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2024-01-17
Also published as: DE102004002296A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzsystem für eine mit einem homogenen Brennverfahren betriebene Otto-Brennkraftmaschine, die wenigstens ein Einlassventil (22) aufweist, mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12), die Kraftstoff direkt in einen, durch einen oszillierenden Kolben begrenzten Brennraum (14) einspritzt, wobei die Einspritzung synchron zur Luftansaugung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllenden (40) mehrerer aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) in den Brennraum (14) eintretenden Kraftstoffstrahlen (10) zu jedem Zeitpunkt eines Ventilhubs des Einlassventils (22) jeweils mit Abstand zum Einlassventil (22) liegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine mit einem homogenen Brennverfahren betriebene Otto-Brennkraftmaschine, die wenigstens ein Einlassventil aufweist, mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die Kraftstoff direkt in einen, durch einen oszillierenden Kolben begrenzten Brennraum einspritzt, wobei die Einspritzung synchron zur Luftansaugung stattfindet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, die nach dem sog. Otto-Verbrennungsverfahren (mit Fremdzündung) arbeiten, sind oftmals mit einer Benzindirekteinspritzung zur Kraftstoffzumessung versehen, die gegenüber bekannten Verfahren mit einer sog. Saugrohreinspritzung zahlreiche Vorteile hinsichtlich eines Motorwirkungsgrades sowie eines Schadstoffemissionsverhaltens aufweist. Bei den Brennverfahren wird im Wesentlichen zwischen einem wandgeführten und einem strahlgeführten Brennverfahren unterschieden. Das wandgeführte Brennverfahren sieht vor, dass der Kraftstoff während des Einspritzvorgangs die Zylinderwand oder den Kolbenboden benetzt und von dort über die Ladungsbewegung bzw. den Drall des Kraftstoff-Luft-Gemisches wieder abgedampft wird. Beim strahlgeführten Brennverfahren trifft der Kraftstoffstrahl während des Einspritzvorgangs auf die Zündkerze und wird dort unmittelbar gezündet. Die Flammenfront des Kraftstoff-Luft-Gemisches breitet sich ausgehend von der Zündkerze in Richtung zu den Brennraumwänden und zum Kolbenboden aus.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem eine mittels eines Einspritzventils im Brennraum erzeugte Kraftstoffwolke eine Zylinderwand und/oder einen Kolbenboden im Wesentlichen nicht benetzt, ist aus der DE 199 19 643 A1 bekannt.
Ein Brennstoffeinspritzsystem mit einem Einspritzventil, das eine kegelförmige Gemischwolke in den Brennraum einspritzt, ist weiterhin aus der DE 100 32 336 A1 bekannt. Der Ventilkörper weist zusätzlich ein zentral angeordnetes Einspritzloch auf, das einen auf die Zündkerze gerichteten Zentralbereich der Gemischwolke erzeugt.
Ein Brennstoffeinspritzsystem mit einem Ventil, das mehrere Brennstoffstrahlen erzeugt, die tangential in den Bereich der Zündkerze orientiert sind, ist aus der WO 02/095201 A1 bekannt.
Schließlich ist eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung aus der DE 101 17 518 A1 bekannt, bei der die Kraftstoffstrahlen so gerichtet sind, dass bei geöffnetem Einlassventil ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes auf einen Ventilteller des Einlassventils trifft.
Der Stand der Technik zeigt zudem die Druckschrift DE 197 54 849 A1 , aus welcher eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine hervorgeht, die pro Zylinder wenigstens ein Gaswechselventil und ein Einspritzventil aufweist, wobei das Einspritzventil benachbart zu dem wenigstens einen Gaswechselventil in der Brennraumkuppel des Zylinders positioniert ist. Dabei soll die Brennraumkuppel in den Bereich, wo das Einspritzventil positioniert ist, eine in den Brennraum hineinragende Ausbuchtung aufweisen. Weiterhin sind die Druckschriften FR 2 837 238 A1 und DE 100 32 330 A1 bekannt. Erstere beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wobei jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Injektor zugeordnet ist, der mehrere Kraftstoffstrahlen in Richtung einer konkaven Ausnehmung in einer Kolbenfläche einbringt. Die letztgenannte Druckschrift zeigt dagegen ein Brennstoffeinspritzsystem, bei welcher Durchmesser von auf einer Spritzlochscheibe angeordneten Einspritzlöchern so verteilt sind, dass zu einem bestimmten Einspritzzeitpunkt der eingespritzte Brennstoff in einem von dem Kolben und der Zylinderwandung begrenzten Einspritzvolumen eines Brennraums möglichst homogen verteilt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kraftstoffeinspritzsystem sowie ein verbessertes Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff für Brennkraftmaschinen zur Verfügung zu stellen, wobei Parameter der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit von Brennverfahrensgesichtspunkten optimierbar sind.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8 sehen vor, dass die Umhüllenden mehrerer aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Brennraum eintretenden Kraftstoffstrahlen zu jedem Zeitpunkt eines Ventilhubs des Einlassventils jeweils mit Abstand zu dem Einlassventil liegen. Zu jedem Zeitpunkt eines Ventilhubs weist der wenigstens eine Kraftstoffstrahl einen Abstand zum Ventil auf. Dieses Ventil wird üblicherweise auch als Gaswechselventil bezeichnet. Der Kraftstoffstrahl weist insbesondere einen Abstand zu einem Einlassventil auf. Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilung wird vermieden, dass das Ventil bzw. der Ventilteller während seiner Hubbewegung und während des Einspritzvorgangs mit einem der Kraftstoffstrahlen zusammentrifft.
Mit der Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzsystem zur Verfügung gestellt, bei dem mehrere Einzelstrahlen eines Kraftstoffzumessventils im Brennraum individuell angeordnet sind, womit das Spritzbild abhängig von Brennverfahrensparametern optimiert werden kann. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung – das sogenannte Einspritzventil bzw. der sog. Brennstoffinjektor – erzeugt mehrere Kraftstoffstrahlen, die je nach Bedarf in unterschiedliche Richtungen in den Brennraum eingespritzt werden können.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Umhüllenden mehrerer aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Brennraum eintretenden Kraftstoffstrahlen jeweils beabstandet zu dem wenigstens einen Einlass- oder Auslassventil sind. Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Umhüllenden mehrerer aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Brennraum eintretenden Kraftstoffstrahlen jeweils beabstandet zu zwei oder mehr Einlass- oder Auslassventile sind. Mit Einlass- oder Auslassventilen ist im vorliegenden Zusammenhang insbesondere deren Ventilteller gemeint, der bei bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zumindest teilweise von den Kraftstoffstrahlen benetzt wird. Bei zwei oder mehr vorhandenen Einlass- oder Auslassventilen kann vorgesehen sein, dass die Umhüllenden der Mehrzahl der aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Brennraum eintretenden Kraftstoffstrahlen jeweils in einem Bereich zwischen den wenigstens zwei Ventilen verlaufen.
Mit der Erfindung können die Möglichkeiten einer Einzelstrahlauslegung optimal ausgenutzt werden. Es können auf diese Weise die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine reduziert werden, insbesondere die Kohlenwasserstoff- und Rußemissionen. Dies wird dadurch erreicht, dass die bewegten/oszillierenden Einlass- oder Auslassventile nur minimal benetzt werden und dass der oszillierende Kolben sowie die Laufbuchse und der Zylinderkopf ebenfalls nur minimal benetzt werden. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich die Kraftstoffstrahlen an kälteren Wand- oder Ventilabschnitten abkühlen, was zu einer ungünstigeren Verbrennung und gegebenenfalls zu einer nur unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffes im Brennraum führen könnte. Mit Hilfe der Erfindung kann das Gemisch im Brennraum weitgehend homogenisiert werden, was eine optimale Volumenausnutzung für ein homogenes Brennverfahren bzw. ein stöchiometrisches Brennverfahren bedeutet. Auch die Gemischschichtung in einem mageren Motorbetrieb kann sehr gut gesteuert und kontrolliert werden.
Unter Berücksichtigung dieser Kriterien bei der Kraftstoffeinspritzung und/oder Kraftstoffzumessung ergeben sich keine symmetrischen Einzelstrahllagen mit regelmäßiger Anordnung auf einer Kegelmantelfläche, wie dies heute bei bekannten Einspritzsystemen üblich ist, sondern es werden unregelmäßige Spraybilder gebildet, die den gestellten Anforderungen mit unterschiedlicher Zielsetzung und Gewichtung gerecht werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Einhüllende der Umhüllenden der wenigstens drei oder mehr in den Brennraum eintretenden Kraftstoffstrahlen einen dreieck-, viereck-, fünfeck- oder vieleckförmigen Querschnitt aufweist. Vorzugsweise kann das Spritzbild der Kraftstoffstrahlen weitgehend spiegelsymmetrisch sein, wobei eine Spiegelachse des Spritzbildes weitgehend deckungsgleich zu einer Spiegelachse der Projektionen der Einlassventile bzw. der Gaswechselventile im Brennraum ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Kraftstoffeinspritzventil symmetrisch zu den beiden Einlassventilen bzw. symmetrisch zu zwei Gaswechselventilen angeordnet ist.
Die Kraftstoffeinzelstrahlen können vorzugsweise so ausgerichtet werden, dass sie je nach Anwendung zur Emissionsminimierung an den Einlass- oder Auslassventilen insgesamt vorbei spritzen oder nur über einen kleinen zeitlichen Querschnitt die Ventilteller benetzen, was zur Minimierung von Verkokungen bei gleichzeitiger Emissionsminderung beitragen kann. Hierdurch kann erreicht werden, dass das restliche nutzbare Volumen im Brennraum optimal ausgenutzt wird. Dies betrifft insbesondere die Abstände der Einzelstrahlen zueinander zur Bildung einer möglichst homogenen Kraftstoffwolke im Brennraum.
Die vorliegende Erfindung ist weitgehend unabhängig von der Lochanzahl der Kraftstoffeinspritzvorrichtung, der Einspritzventillage und dem Brennverfahren (homogen, geschichtet, homogen-mager) allgemein gültig anwendbar. Selbstverständlich eignet sich das erfindungsgemäße Einspritzsystem bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung bei einer Brennkraftmaschine mit einem, zwei, drei oder mehr Einlass- oder Auslassventilen. Auch kann der Brennraum eine, zwei oder mehr Zündkerzen aufweisen, ohne dass sich die grundsätzlichen Erfindungsparameter ändern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die:
1 bis 3 schematische Perspektivdarstellungen eines Teils eines Brennraums einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem und die
4 bis 6 verschiedene Projektionsdarstellungen eines Spritzbildes einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung.
Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird auf eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und Kraftstoffdirekteinspritzung, die im vorliegenden Zusammenhang auch als Kraftstoffeinspritzsystem bezeichnet wird, Bezug genommen. Die Brennkraftmaschine weist jeweils zwei Einlassventile 22 und eine Zündkerze 20 für jeden Brennraum 14 auf. Der Brennraum 14 wird nach oben durch einen Zylinderkopf, zu den Seiten durch zylindrische Brennraumwände und nach unten durch einen Kolbenboden 8 eines oszillierenden Kolbens begrenzt.
Die 1 bis 3 verdeutlichen in perspektivischen Darstellungen die Verteilung mehrerer Kraftstoffstrahlen 10 eines Einspritzventils 12, das keine wandgeführte Verbrennung erzeugt, sondern eine möglichst weitgehend homogen verteilte Kraftstoffwolke im Brennraum 14 erzeugt. Das Einspritzventil wird im vorliegenden Zusammenhang auch allgemeiner als Kraftstoffeinspritzvorrichtung 12 bezeichnet. Die Kraftstoffstrahlen 10 bilden mit ihrer Einhüllenden bzw. mit ihren umhüllenden Flächen 40 keine Kegelmantelfläche, sondern eine unregelmäßig verteilte Einhüllende, wie dies insbesondere anhand der senkrechten Draufsicht auf eine Düse 16 mit sechs Spritzlöchern 18 der 3 verdeutlicht ist.
Die Kraftstoffstrahlen 10 benetzen nicht unmittelbar eine Zündkerze 20, sondern ein oberster Kraftstoffstrahl 101 wird in deren unmittelbare Nähe geführt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Brennraum 14 eine einzelne Zündkerze 20 auf, die sich im oberen Bereich des Brennraums 14 befindet, wo auch die beiden Einlassventile 22 angeordnet sind.
Der Verlauf der Kraftstoffstrahlen 10 vermeidet eine Benetzung der Einlassventile 22 sowie eine Benetzung der Zündkerze 20, woraus eine sehr homogene Kraftstoffverteilung im Brennraum 14 ermöglicht wird. Auch der Kolbenboden 8 wird nur schwach oder gar nicht mit Kraftstoff benetzt, ebenso wie die Brennraumwände und der Zylinderkopf. Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilung kann insbesondere eine Schadstoffreduktion bei der Verbrennung erreicht werden, da die Verbrennung nahezu vollständig ablaufen kann. Die sich von der Zündkerze 20 ausbreitende Flammenfront durchläuft die gesamte Kraftstoffwolke und sorgt für eine nahezu vollständige Verbrennung.
Die 4 zeigt die zwischen den zwei Einlassventilen 22 vorbei spritzenden Kraftstoffstrahlen 10 des erfindungsgemäßen Einspritzventils 12. Anhand des Verlaufs wird deutlich, dass die Ventilteller 24 der Einlassventile 22 weitestgehend nicht oder nur minimal von eingespritztem Kraftstoff benetzt werden. Eine Abkühlung des Kraftstoffs an den Ventiltellern kann dadurch vermieden werden. Dargestellt sind in 4 die Projektionen 26 und 28 der Ventilteller 24 der beiden Einlassventile 22 bei einem maximalen Ventilhub, der bspw. ca. 10 bis 12 mm betragen kann. 5 zeigt eine Projektion in Richtung des Winkels α entsprechend der Darstellung der 4. 6 zeigt eine Projektion in Richtung des Winkels β entsprechend der Darstellung der 4.
Anhand der 4 bis 6 wird deutlich erkennbar, dass ein erster und zweiter Kraftstoffstrahl 101, 102 (vgl. 4) jeweils auf eine Symmetrieachse der beiden symmetrisch zueinander angeordneten Einlassventile 22 trifft bzw. entlang einer Symmetrieebene 30 zwischen den beiden Ventilen 22 verläuft. Es wird weiterhin deutlich, dass ein dritter und vierter Kraftstoffstrahl 103, 104 noch recht nahe bei der Symmetrieebene 30 liegen, da die Projektionen 26 und 28 in diesem Bereich noch recht nahe an der Symmetrieachse liegen. Ein fünfter und sechster Kraftstoffstrahl 105, 106 ermöglich dann bereits eine deutliche Strahlaufweitung und damit eine gewünschte, relativ homogene Kraftstoffverteilung im Brennraum, ohne dass die Ventilteller 24 mit Kraftstoff benetzt werden.
Eine umhüllende Fläche 42 (unterbrochene Linie in 4) der jeweiligen Umhüllenden 40 der sechs Kraftstoffstrahlen 101, 102, 103, 104, 105, 106 weist somit keinen kreisförmigen, sondern einen unregelmäßigen, jedoch symmetrischen Querschnitt auf.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem für eine mit einem homogenen Brennverfahren betriebene Otto-Brennkraftmaschine, die wenigstens ein Einlassventil (22) aufweist, mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12), die Kraftstoff direkt in einen, durch einen oszillierenden Kolben begrenzten Brennraum (14) einspritzt, wobei die Einspritzung synchron zur Luftansaugung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllenden (40) mehrerer aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) in den Brennraum (14) eintretenden Kraftstoffstrahlen (10) zu jedem Zeitpunkt eines Ventilhubs des Einlassventils (22) jeweils mit Abstand zum Einlassventil (22) liegen.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllenden (40) mehrerer aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) in den Brennraum (14) eintretenden Kraftstoffstrang (10) jeweils mit Abstand zu zwei oder mehr Einspritzventilen (22) liegen.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllenden (40) der Mehrzahl der aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) in den Brennraum (14) eintretenden Kraftstoffstrahlen (10) jeweils in einem Bereich zwischen den wenigstens zwei Einspritzventilen (22) liegen.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine einhüllende Umfangsfläche (42) der Umhüllenden (40) der wenigstens drei oder mehr in den Brennraum (14) eintretenden Kraftstoffstrahlen (10) einen dreieck-, viereck-, fünfeck- oder vieleckförmigen Querschnitt aufweist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzbild der Kraftstoffstrahlen (10) weitgehend spiegelsymmetrisch ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzbild der Kraftstoffstrahlen (10) weitgehend symmetrisch zur Anordnung der Einspritzventile (22) ist.
Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (14) einer Brennkraftmaschine mittels wenigstens einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) zur Erzeugung mindestens eines in den Brennraum (14) gerichteten Kraftstoffstrahls (10) mit einem Kraftstoffeinspritzsystem gemäß wenigstens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kraftstoffstrahl (10) mit Abstand zu einem Einlassventil (22) in den Brennraum (14) eingespritzt wird, wobei die Umhüllenden (40) mehrerer aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) in den Brennraum (14) eintretenden Kraftstoffstrahlen (10) zu jedem Zeitpunkt eines Ventilhubs des Einlassventils (22) jeweils mit Abstand zum Einlassventil (22) liegen.