Titel

EINSPRIT VORRICHTUNG , BRENNKRAFTMASCHINE UND VERFAHREN UM BETRIEB EINER EINSPRITZVORRICHTUNG FÜR BENZIN UND CNG

Stand der Technik

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

Solche Einspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen sind allgemein bekannt.

Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2008 043 930 A1 eine Kraftstoff- Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, die für die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Kraftstoffen ausgebildet ist, wobei die Ein- Spritzanlage Kraftstoff-Einspritzventile aufweist, welche wahlweise mit verschiedenen Kraftstoffbehältern verbindbar sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die gleichen Kraftstoff-Einspritzventile sowohl zur Einspritzung von Benzin, als auch zur Einspeisung von Gas, wie komprimiertem Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas) und Flüssiggas (LNG, Liquefied Natural Gas) verwendet werden. Nach- teilig an dieser Einspritzvorrichtung ist, dass bei der Einspritzung von auf Benzin basierenden Kraftstoffen unterschiedliche Durchflussmengen benötigt werden, als bei der Einspeisung von auf Gas basierenden Kraftstoffen. Der Kraftstoffzumessbereich eines Kraftstoff-Einspritzventils, d.h. derjenige Bereich, in welchem mit einer bestimmten Genauigkeit Kraftstoff einspritzbar ist, ist jedoch begrenzt.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Einspritzvor- richtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass einerseits eine Verringerung der Abgasemissionen und andererseits eine Erhöhung der Leistung der Brennkraftmaschine erzielt wird. Dies wird dadurch erzielt, dass der Kraftstoff der ersten Kraftstoffzusammensetzung, dessen Hauptbestandteil vorzugsweise Erdgas ist, ausschließlich durch die erste Einspritzanordnung eingespritzt wird, während der Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzungen, dessen Hauptbestandteil vorzugsweise

Benzin ist, ausschließlich durch die zwei separate Einspritzventile aufweisende zweite Einspritzanordnung eingespritzt wird. Es hat sich gezeigt, dass ein besonderes abgasarmer Betrieb der Brennkraftmaschine erzielt wird, wenn beim Starten und im Niedriglastbereich der Brennkraftanlage ein Betrieb mit Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzung und bei erhöhter Last bzw. Volllast ein Betrieb mit Kraftstoff der ersten Kraftstoffzusammensetzung erfolgt. Beim Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem auf Erdgas basierenden Kraftstoff muss im Vergleich zum Betrieb mit dem Benzin basiertem Kraftstoff wesentlich mehr Kraftstoff durch das jeweilige Einspritzventil gefördert werden, so dass die Anfor- derungen an den verfügbaren Durchflussmengenbereich der Einspritzvorrichtung vergleichsweise hoch sind. Durch die Trennung der Einspritzventile in solche, die ausschließlich den auf Erdgas basierenden Kraftstoff einspritzen, und in solche, die ausschließlich den auf Benzin basierenden Kraftstoff einspritzen, werden in einfacher Weise die hohen Anforderungen an den verfügbaren Durchflussmen- genbereich des jeweiligen Einspritzventils erreicht. Die Einspritzung von auf Benzin basierendem Kraftstoff wird insbesondere in der Start- und Warmlaufphase benötigt, da eine Einspritzung von auf Erdgas basierendem Kraftstoff zum Starten des Motors vergleichsweise ineffizient ist. Die zweite Einspritzvorrichtung wird daher gerade in der Start- und Warmlaufphase betrieben und bei Volllast vorzugsweise gedrosselt oder ganz abgeschaltet. Durch die Verwendung zweier separater Einspritzventile, das zweite und dritte Einspritzventil, wird nun gerade in der Start- und Warmlaufphase eine homogene und stabile Durchbrennung des eingespritzten Kraftstoffs begünstigt, da jedes Einspritzventil nur eine verminderte Durchflussmenge von Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzung ein- zuspritzen braucht, wodurch eine geringere Spraydichte erzielt wird, d.h. dass sich die charakteristische Tröpfchengröße, insbesondere der Sauter- Durchmesser, des zerstäubten Kraftstoffs in vorteilhafter Weise verringert, wodurch eine schnellere und stabilere Durchbrennung des Kraftstoffgemischs im Brennraum erzielt wird. Weiterer Vorteil sind die beiden voneinander getrennten Abspritzpunkte der zweiten Einspritzanordnung, dieser Freiheitsgrad ermöglicht optimales einspritzen von Kraftstoff mit minimierter Wandbenetzung. Auf diese Weise werden Mängel im Verbrennungsverlauf, Zündaussetzer oder eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffgemischs vermieden und eine Reduktion der Rohabgase erzielt. Insbesondere in der Start- und Warmlaufphase, d.h. bei einem kalten, noch nicht (vollständig) konvertierenden Katalysator führt dies zu ei- ner Verringerung der Abgasemissionen am Katalysatorausgang. Die bessere

Durchbrennung des Kraftstoffgemischs im Brennraum führt ferner zu einem späteren Zündwinkel bei gleicher Laufunruhe, was ferner zu einer erhöhten Temperatur im Brennraum und somit auch zu heißeren Rohabgasen führt. Hierdurch wird in der Start- und Warmlaufphase der Katalysator schneller aufgewärmt und erreicht schneller die Anspringtemperatur, ab welcher der Katalysator effizient arbeitet. Durch die Verwendung der zwei separaten Einspritzventile fallen somit insgesamt deutlich weniger Rohabgase in der Start- und Warmlaufphase an. Vorteilhafterweise kann aufgrund der Rohabgasreduktion der Katalysator kleiner dimensioniert und ein Teil der für den Katalysator benötigten Edelmetalle einge- spart werden. Die verbesserte Durchbrennung und die hierdurch erzielte höhere

Laufruhe ermöglicht darüber hinaus eine geringere Leerlaufdrehzahl, welche wiederum die Abgasemissionen beim Betrieb mit Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzung reduziert. Bei hoher Last wird die zweite Einspritzanordnung gedrosselt und/oder abgeschaltet und die Brennkraftmaschine wird mit dem auf Erdgas basierendem Kraftstoff gespeist, wodurch eine vergleichsweise hohe

Leistung bei niedrigen Abgasemissionen und niedrigem Kraftstoffverbrauch erreicht wird. Durch geringere Verunreinigungen verbrennt Erdgas im Vergleich zu Benzin generell sauberer und erzeugt somit weniger Abgase. Im Last- und Volllastbetrieb wird somit eine erhebliche Abgasreduktion erzielt. Die erfindungsge- mäße Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise einen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Automobil. Die Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise mehr als einen Zylinder.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter- ansprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite und dritte Einspritzventil in einem zum Brennraum führenden Ansaugrohr angeordnet sind, wobei das zweite und dritte Einspritzventil vorzugsweise in einem dem

Brennraum zugewandten unteren Wandungsabschnitt des Ansaugrohres ange- ordnet sind. Eine Anordnung im unteren Wandungsabschnitt liegt vorteilhafterweise strömungsgünstiger hinsichtlich aus dem Brennraum rückströmender Abgase, so dass das Risiko eines Verstopfens des zweiten und dritten Einspritzventils vermindert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Einspritzventil im Ansaugrohr angeordnet ist, wobei das erste Einspritzventil vorzugsweise in einem dem Brennraum abgewandten oberen Wandungsabschnitt des Ansaugrohres angeordnet ist. In vorteilhafter Weise ist somit eine besonders bauraumkompakte Ausbildung der Einspritzvorrichtung möglich, da das erste

Einspritzventil auf der dem zweiten und dritten Einspritzventil gegenüberliegenden Wandung des Ansaugrohrs angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ansaug- rohr zwischen der zweiten Einspritzanordnung und dem Brennraum mittels einer inneren Trennwand in einen in die erste Einlassöffnung mündenden ersten Ansaugkanal und einen in die zweite Einlassöffnung mündenden zweiten Ansaugkanal separiert ist, wobei das zweite Einspritzventil im Bereich des ersten Ansaugkanals und das dritte Einspritzventil im Bereich des zweiten Ansaugkanals angeordnet ist. In vorteilhafter Weise sind das zweite und dritte Einspritzventil ferner getrennt voneinander angeordnet und insbesondere auch getrennt voneinander ansteuerbar. Es ist auch denkbar, dass jeweils nur eines der beiden Einspritzventile angesteuert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem zweiten Einspritzventil und der ersten Einlassöffnung und der Abstand zwischen dem dritten Einspritzventil und der zweiten Einlassöffnung jeweils kleiner als der Abstand zwischen dem ersten Einspritzventil und der ersten oder zweiten Einlassöffnung sind. Der Abstand zwischen der zweiten Einspritzanord- nung und dem Brennraum ist vergleichsweise klein gewählt, so dass sich die

Flugzeiten des eingespritzten Kraftstoffs gemäß der zweiten Kraftstoffzusammensetzung verkürzen. Die Verdampfung des auf Benzin basierenden Kraftstoffs findet somit im Brennraum statt, wodurch der Brennraum gekühlt wird. Die Klopffestigkeit nimmt daher zu, so dass insbesondere in einer Volllastphase größere Leistungen abgefragt werden können. Diese Ausführungsform eignet sich daher zum Bau einer besonders leistungsfähigen Brennkraftmaschine. Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem zweiten Einlassventil und der ersten Einlassöffnung und der Abstand zwischen dem dritten Einlassventil und der zweiten Einlassöff- nung jeweils größer als zwischen dem ersten Einlassventil und der ersten oder zweiten Einlassöffnung sind. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der zweiten Einspritzanordnung und dem Brennraum vergleichsweise groß, so dass sich die Flugzeiten des eingespritzten Kraftstoffs gemäß der zweiten Kraftstoffzusammensetzung vergrößern. Dies hat den Vorteil, dass schon im Saugrohr eine effiziente Verdampfung der Tröpfchen einsetzt und so im Brennraum eine vergleichsweise stabile und heiße Verbrennung erzielt wird. Hierdurch wird insbesondere in der Start- und Wärmphase eine verbesserter Zündfähigkeit, sowie ein schnelleres Aufwärmen des Katalysators erzielt. Die Abgasemissionen werden somit verringert. Diese Ausführungsform eignet sich daher zum Bau einer be- sonders emissionsarmen Brennkraftmaschine.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite und dritte Einspritzventil jeweils nur eine einzige Einspritzöffnung zum Einspritzen des Kraftstoffs der zweiten Kraftstoffzusammensetzung aufweisen und/oder dass das zweite und dritte Einspritzventil jeweils für einen niedrigeren Kraftstoffdurchflussbereich als das wenigstens eine erste Einspritzventil dimensioniert sind. Der Kraftstoffzumessbereich kann somit vorteilhafterweise für jede der beiden verschiedenen Kraftstoffzusammensetzungen optimiert werden. Das erste Einspritzventil weist alternativ entweder eine einzige erste Einspritzöffnung oder wenigs- tens zwei separate erste Einspritzöffnungen zum Einspritzen des auf Erdgas basierenden Kraftstoffs in Richtung der ersten und zweiten Einlassöffnung auf. Alternativ ist natürlich auch denkbar, dass die erste Einspritzanordnung zwei oder mehr erste Einspritzventile umfasst, welche insbesondere jeweils nur eine erste Einspritzöffnung aufweisen und welche im Ansaugrohr oder im ersten und zwei- ten Ansaugkanal angeordnet sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite und das dritte Einspritzventil derart unterschiedlich dimensioniert sind, dass unterschiedliche Mengen von Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzung durch das zweite und dritte Einspritzventil eingespritzt werden. Auf diese Weise kann der Kraftstoffzumessbereich erheblich vergrößert werden, beispielsweise wenn nur dasjenige der beiden Einspritzventile angesteuert wird, welches für eine kleinere Durchflussmenge dimensioniert ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine aufweisend eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist Verfahren zum Betrieb einer Einspritzvorrichtung, wobei mittels des ersten Einspritzventils Kraftstoff der auf Erdgas basierenden ersten Kraftstoffzusammensetzung sowohl in Richtung der ersten Einlassöffnung, als auch in Richtung der zweiten Einlassöffnung eingespritzt wird und wobei mittels des zweiten Einspritzventils Kraftstoff der auf Benzin basierenden zweiten Kraftstoffzusammensetzung im Wesentlichen nur in Richtung der ersten Einlassöffnung und mittels des dritten Einspritzventils Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzung im Wesentlichen nur in Richtung der zweiten Einlassöffnung eingespritzt wird. In vorteilhafter Weise werden somit die oben genannten Vorteile der Abgasreduktion, sowie der Leistungssteigerung erzielt. Auf diese Weise wird ein maximal großer verfügbarer Durchflussmengen- bereich zur präzisen Einspritzung der jeweils benötigten Kraftstoffmengen erreicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mit dem wenigstens einem ersten Einspritzventil ausschließlich Kraftstoff der ersten Kraftstoffzusammensetzung eingespritzt wird und dass mit dem zweiten und dritten Einspritzventil jeweils ausschließlich Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzung eingespritzt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einer Startphase der Brennkraftmaschine hauptsächlich Kraftstoff der zweiten Zusammensetzung durch das zweite und dritte Einspritzventil eingespritzt wird und dass in einer Lastphase der Brennkraftmaschine hauptsächlich Kraftstoff der ersten Zusammensetzung durch das erste Einspritzventil eingespritzt wird. Auf diese Weise werden die Kraftstoffe der unterschiedlichen Zusammensetzungen für die jeweiligen Anforderungen mit maximaler Effizienz eingesetzt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 zeigt eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 2 eine schematische Schnittbilddarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegen- den Erfindung und

Figur 3 zeigt eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Einspritzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In Figur 1 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Einspritzvorrichtung V gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche einen Zylinder aufweist, welcher einen Brennraum 2 umfasst und in welchem sich ein Kolben 2' bewegt. Die Wandung des Brennraums 2 weist eine erste und eine zweite Einlassöffnung 10, 20 auf, durch welche jeweils ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer 2 angesaugt wird und eine erste und zweite Auslassöffnung 30, 31 , durch welche die Rohabgase des verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemischs aus der Brennkammer 2 in erste und zweite Auslasskanäle 32, 33 ausgestoßen werden. Die Brennkraftmaschine 1 weist ein erstes Einlassventil 10' auf, welches zum Verschließen der ersten Einlassöffnung 10 vorgesehen ist und zwischen einem ersten Ansaugkanal 1 1 und der Brennkammer 2 angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner ein zweites Einlassventil 20' auf, welches zum Verschließen der zweiten Einlassöffnung 20 vorgesehen ist und zwischen einem zweiten Ansaugkanal 21 und der Brennkammer 2 angeordnet ist. Der erste und der zweite Ansaugkanal 1 1 , 21 münden auf einer der Brennkammer 2 abgewandten Seite in ein gemeinsames Ansaugrohr 9, wobei durch eine im Ansaugrohr 9 angeordnete Drossel- klappe (nicht dargestellt) eine dosierte Menge Frischluft durch das Ansaugrohr 9 in Richtung der Brennkammer 2 angesaugt wird. Der erste und zweiten Ansaugkanals 1 1 , 21 werden im Wesentlichen durch eine im Ansaugrohr 9 angeordnete Trennwand 42 voneinander separiert. Die Einspritzvorrichtung 1 ' weist eine erste und eine zweite Einspritzanordnung 3, 5 auf, welche zum Einspritzen von Kraftstoff 4, 6 in Richtung der ersten und zweiten Einlassöffnungen 10, 20 bzw. in den ersten und zweiten Ansaugkanal 1 1 , 21 vorgesehen sind. Die erste Einspritzanordnung 3 umfasst ein erstes Einspritzventil 7, welches wenigstens eine Einspritzöffnung 8 umfasst, durch welche Kraftstoff 4 einer ersten Kraftstoffzusam- mensetzung sowohl in Richtung der ersten, als auch in Richtung der zweiten Einlassöffnung 10, 20 eingespritzt wird. Die erste Kraftstoffzusammensetzung besteht hauptsächlich aus Erdgas, welches im (Voll-)Lastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 eine vergleichsweise saubere Verbrennung, d.h. mit niedrigen Emissionen und hoher Leistung, gewährleistet. Da die Start- und Aufwärmphase mit ei- nem auf Erdgas basierendem Kraftstoff vergleichsweise ineffizient ist, weist die

Einspritzvorrichtung 1 ' noch die zweite Einspritzanordnung 5 auf, welche zum Einspritzen von Kraftstoff 6 einer zweiten Kraftstoffzusammensetzung vorgesehen ist. Die zweite Kraftstoffzusammensetzung umfasst insbesondere herkömmliches Benzin. Die zweite Einspritzanordnung 5 weist ein zweites und ein separa- tes drittes Einspritzventil 12, 22 auf. Das zweite Einspritzventil 12 weist eine einzige zweite Einspritzöffnung 14 auf, durch welche der Kraftstoff 6 der zweiten Kraftstoffzusammensetzung im Wesentlichen ausschließlich in Richtung der ersten Einlassöffnung 10 eingespritzt wird. Analog weist das dritte Einspritzventil 22 eine einzige dritte Einspritzöffnung 24 auf, durch welche der Kraftstoff 6 der zwei- ten Kraftstoffzusammensetzung im Wesentlichen ausschließlich in Richtung der zweiten Einlassöffnung 20 eingespritzt wird. Das erste, zweite und dritte Einspritzventil 7, 12, 22 sind getrennt voneinander ansteuerbar. Im vorliegenden Beispiel ist der Abstand zwischen dem zweiten Einlassventil 12 und der ersten Einlassöffnung 10, sowie zwischen dem dritten Einlassventil 22 und der zweiten Einlassöffnung 20 jeweils kleiner als zwischen dem ersten Einlassventil 7 und der ersten oder zweiten Einlassöffnung 10, 20. Das zweite und dritte Einspritzventil 12, 22 sind jeweils für einen niedrigeren Kraftstoffdurchflussbereich als das wenigstens eine erste Einspritzventil 7 dimensioniert, da beim Einspritzen von auf Erdgas basierendem Kraftstoff 4 im Vergleich zum Einspritzen von auf Benzin basierendem Kraftstoff 6 größere Mengen eingespritzt werden müssen. Das erste Einspritzventil 7 dient daher ausschließlich dem Einspritzen von Kraftstoff 4 der ersten Kraftstoffzusammensetzung, während von dem zweiten und dritten Einspritzventil 12, 22 jeweils ausschließlich Kraftstoff 6 der zweiten Kraftstoffzusammensetzung eingespritzt wird. Das Einspritzen von Kraftstoff 6 der zweiten Kraftstoffzusammensetzung erfolgt hauptsächlich in der Start- und Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1. Das Einspritzen von Kraftstoff 4 der ersten Kraftstoffzusammensetzung erfolgt hingegen hauptsächlich in der Last- und Volllastphase. Vorzugsweise wird durch eine geeignete Steuerung das erste, zweite und dritte Einspritzventil 7, 12, 22 in Abhängigkeit der entsprechenden Betriebsparameter gesteuert, so dass das Verhältnis zwischen der eingespritzten Menge des Kraftstoffs 4 der ersten Kraftstoffzusammensetzung und der eingespritzten Menge des Kraftstoffs 6 der zweiten Kraftstoffzusammensetzung bedarfsgerecht und insbesondere kontinuierlich geregelt wird, um möglichst niedrige Emissionen bei ausreichender Leistung zu erzielen. Die Brennkraftmaschine 1 weist vorzugsweise eine Mehrzahl von solchen Zylindern auf. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst vorzugsweise einen Ottomotor für ein Automobil.

In Figur 2 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Einspritzvorrichtung V gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die zweite Ausführungsform gleicht im Wesentlichen der in Figur 1 illustrierten ersten Ausführungsform, wobei das zweite und dritte Einspritzventil 12, 22 im Bereich eines dem Brennraum 2 zugewandten unteren Wandungsabschnitt 40 des Ansaugrohres 9 angeordnet sind. Das erste Einspritzventil 7 ist hingegen in einem Bereich eines dem Brennraum 2 abgewandten oberen Wandungsabschnitt 41 des Ansaugrohres 9 angeordnet.

In Figur 3 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung der in Figur 2 illustrierten Einspritzvorrichtung 1 ' gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.