Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Verfahren wird bzw. werden ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei zum Einspritzen ein Brennstoffeinspritzventil mit einer hubbeweglichen Düsennadel verwendet wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen des gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine, wobei das Brennstoffeinspritzventil als Mono-Fuel-Injektor oder als Dual-Fuel- Injektor ausgebildet sein kann.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffeinspritzventile bzw. Injektoren weisen in der Regel nach innen öffnende Einspritzventilglieder auf, die in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt werden. Die Federkraft muss ausreichend groß bemessen sein, um im drucklosen Zustand, insbesondere im Startfall der Brennkraftmaschine, ein ungewolltes Öffnen des Einspritzventilglieds durch den im Brennraum vorhandenen Kompressionsdruck zu verhindern. Die Feder nimmt daher regelmäßig einen großen Raum innerhalb des Injektors ein.

Die Gefahr eines ungewollten Öffnens steigt, wenn die druckbelasteten Flächen am Einspritzventilglied besonders groß sind. Dies ist insbesondere bei Dual-Fuel- Injektoren für Gasmotoren mit integrierter Dieselzündung der Fall, die zwei ineinander geführte Einspritzventilglieder aufweisen, von denen ein innenliegendes erstes Einspritzventilglied der Einspritzung eines flüssigen Brennstoffs und ein außenliegendes zweites Einspritzventilglied der Einspritzung eines gasförmigen Brennstoffs dient. Da der vergleichsweise große Durchmesser des außenliegenden Einspritzventilglieds eine entsprechend große Feder erfordert, um die Zuhaltefunktion beim Starten der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, ist eine kompakt bauende Anordnung meist nicht zu erreichen.

Dem Stand der Technik entsprechende Einspritzventilglieder weisen eine Fläche auf dem beweglichen Ventilglied auf, die entweder direkt oder indirekt mit dem Steuerraumdruck in Schließrichtung beaufschlagt wird. Die Schließfeder kann die hohen öffnenden Kräfte im Sitz des Ventilglieds alleine nicht gegenhalten, um in den Einspritzpausen das Einspritzventilglied geschlossen zu halten. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Schließrichtung auf das

Einspritzventilglied wirkende Feder zu minimieren bzw. zu ersetzen, um auf diese Weise eine kompakt bauende Anordnung zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird eine Vorrichtung zur

Durchführung des Verfahrens angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wird bzw. werden ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Zum Einspritzen wird ein Brennstoffeinspritzventil verwendet, das zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung eine hubbewegliche Düsennadel umfasst. Die Düsennadel ist hierzu mit einer von einem Steuerdruck in einem Steuerraum abhängigen hydraulischen Schließkraft beaufschlagbar. Erfindungsgemäß wird beim Starten der Brennkraftmaschine mittels einer Pumpenanordnung ein Steuerdruck im Steuerraum aufgebaut, der während eines ersten Kompressionshubs eines den Brennraum begrenzenden Kolbens eine auf die Dü- sennadel wirkende hydraulische Schließkraft erzeugt, welche die Düsennadel gegen den ansteigenden Brennraumdruck geschlossen hält.

Aufgrund der hydraulischen Schließkraft, die bereits beim Starten der Brennkraftmaschine bzw. kurz danach auf die Düsennadel wirkt, kann die Federkraft einer die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagenden Feder minimiert werden. Das heißt, dass eine kleinere Feder eingesetzt werden kann, die demzufolge weniger Bauraum erfordert und somit eine kompaktere Anordnung ermöglicht. Darüber hinaus ist es möglich, dass die über den Steuerdruck im Steuerraum bewirkte hydraulische

Schließraft die Schließkraft der Feder vollständig ersetzt, so dass eine Feder entbehrlich ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach ein Brennstoffeinspritzventil eingesetzt werden, das eine deutlich kleinere Schließfeder oder gar keine Schließfeder aufweist, um die Düsennadel beim Starten der Brennkraftmaschine gegen den ansteigenden Brennraumdruck geschlossen zu halten. Der Wegfall der Schließfeder setzt voraus, dass mittels der Pumpenanordnung frühzeitig ein ausreichend hoher Steuerdruck im Steuerraum aufgebaut wird.

Bevorzugt wird der Steuerdruck beim Starten der Brennkraftmaschine mittels einer Elektrokraftstoffpumpe der Pumpenanordnung aufgebaut. Die Elektrokraftstoffpumpe ersetzt in diesem Fall eine mechanische Vorförderpumpe, die der Befüllung einer weiteren Pumpe der Pumpenanordnung, und zwar einer Hochdruckpumpe dient. Mittels der Hochdruckpumpe wird der gasförmige und/oder flüssige Brennstoff vor dem Einspritzen mit Hochdruck beaufschlagt.

Im Unterschied zu einer mechanischen Vorförderpumpe, die üblicherweise an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angekoppelt wird und demnach erst nach einigen Umdrehungen der Kurbelwelle den zur Befüllung der Hochdruckpumpe erforderlichen Vorförderdruck zur Verfügung stellt, kann die Elektrokraftstoffpumpe derart angesteuert werden, dass sie bereits vor der ersten Rotationsbewegung der Kurbelwelle anläuft. Das heißt, dass vorzugsweise die Elektrokraftstoffpumpe bereits vor dem ersten Kompressionshub des Kolbens gestartet wird, so dass der erforderliche Steuerdruck im Steuerraum aufgebaut wird. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Steuerdruck beim Starten der Brennkraftmaschine mittels einer Hochdruckpumpe der Pumpenanordnung aufgebaut wird. Die Vorförderpumpe muss in diesem Fall dazu ausgelegt sein, vor der ersten Kurbelwellenumdrehung den zur Befüllung der Hochdruckpumpe erforderlichen Vorför- derdruck bereitzustellen. Bevorzugt wird auch in diesem Fall eine Elektrokraftst off pumpe als Vorförderpumpe eingesetzt, da diese unabhängig ansteuerbar ist. Über die Hochdruckpumpe wird dann bereits in den ersten Hüben Systemdruck aufgebaut, der in der Folge zum gewünschten Druckaufbau im Steuerraum führt.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Brennstoffeinspritzventil ohne Schließfeder verwendet wird, so dass die Düsennadel beim Starten der Brennkraftmaschine allein durch die vom Steuerdruck im Steuerraum abhängige hydraulische Schließkraft geschlossen gehalten wird. Der Wegfall der Schließfeder wirkt sich positiv auf den Bauraumbedarf und die Fertigungskosten des Brennstoffeinspritzventils aus.

Vorzugsweise wird ein Dual-Fuel-Injektor als Brennstoffeinspritzventil verwendet, da hier die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zum Vorschein treten. Denn bei einem Dual-Fuel-Injektor sind aufgrund des großen Sitzdurchmessers der äußeren Düsennadel die erforderlichen Schließkräfte und damit der erforderliche Bauraum für die Schließfeder besonders groß. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den Einsatz einer deutlich kleineren Schließfeder bzw. den vollständigen Wegfall der Schließfeder.

Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Brennstoffeinspritzventil vorgeschlagen. Das Brennstoffeinspritzventil umfasst zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung eine hubbewegliche Düsennadel, die - dem Stand der Technik entsprechend - mit einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagbar ist. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Pumpenanordnung aus, die beim Starten der Brennkraftmaschine einen Steuerdruck im Steuerraum aufbaut, der während eines ersten Kompressionshubs eines den Brennraum begrenzenden Kol- bens eine auf die Düsennadel wirkende hydraulische Schließkraft erzeugt, welche die Düsennadel gegen den ansteigenden Brennraumdruck geschlossen hält.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung kann es sich insbesondere um ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine handeln. Das Einspritzsystem umfasst hierzu mindestens ein Brennstoffeinspritzventil sowie eine Pumpenanordnung. Die Pumpenanordnung ist dazu ausgelegt, beim Starten der Brennkraftmaschine - ohne nennenswerte Verzögerung - einen Steuerdruck in einem Steuerraum aufzubauen, so dass die Düsennadel von einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt wird, welche die Düsennadel gegen den ansteigenden Brennraumdruck geschlossen hält. Die hydraulische Schließkraft vermag auf diese Weise, und zwar ganz oder teilweise, die Federkraft einer die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagenden Feder zu ersetzen. Das heißt, dass eine kleinere Schließfeder als üblich eingesetzt werden kann bzw. auf eine Schließfeder gänzlich verzichtet werden kann, was sich positiv auf den Bauraumbedarf des Brennstoffeinspritzventils und damit der Vorrichtung auswirkt.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist damit insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Pumpenanordnung eine Elektrokraftstoffpumpe als Vorförderpumpe. Diese kann beim Starten der Brennkraftmaschine derart angesteuert werden, dass sie vor der ersten Rotationsbewegung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine anläuft. Im Unterschied zu einer an der Kurbelwelle angekoppelten mechanischen Vorförderpumpe kann somit deutlich früher Systemdruck und damit Steuerdruck im Steuerraum aufgebaut werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Brennstoffeinspritzventil ein Dual-Fuel-Injektor ist, der eine zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgebildete Düsennadel umfasst, in der eine weitere Düsennadel hubbeweglich aufgenommen ist. Aufgrund des großen Sitzdurchmessers der als Hohlnadel ausgebildeten Düsennadel wirken auf diese beim Starten der Brennkraftmaschine besonders große Öffnungskräfte. Das heißt, dass besonders große Schließkräfte bzw. große Schließfedern erforderlich sind, um die Düsennadel beim Starten der Brennkraftmaschine geschlossen zu halten. Bei der er- findungsgemäßen Vorrichtung wirkt eine hydraulische Schließkraft den Öffnungskräften entgegen, so dass die Schließfeder kleiner ausgelegt werden kann oder sogar in Gänze entfallen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt die beim Starten der Brennkraftmaschine auf die Düsennadel wirkenden Kräfte in Form eines Diagramms.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Beim Starten einer Brennkraftmaschine wird eine Kurbelwelle in eine Rotationsbewegung versetzt. Die Rotationsbewegung der Kurbelwelle führt zu einem Hub eines Kolbens, der einen Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Der Hub des Kolbens wiederum führt zu einer Kompression eines im Brennraum vorhandenen Gases, so dass der Gasdruck im Brennraum steigt.

Zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine ist dem Brennraum ein Brennstoffeinspritzventil zugeordnet. Das Brennstoffeinspritzventil weist zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung eine hubbewegliche Düsennadel auf, die an ihrem dem Brennraum zugewandten Ende von Brennraumdruck beaufschlagt wird. Andernends begrenzt die Düsennadel einen Steuerraum, in dem während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein veränderbarer Steuerdruck zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel herrscht. Beim Starten der Brennkraftmaschine muss der Steuerdruck jedoch erst aufgebaut werden, so dass auf der Düsennadel zunächst nur der ansteigende Brennraumdruck lastet.

Um beim Starten der Brennkraftmaschine ein unbeabsichtigtes Öffnen der Düsennadel aufgrund des ansteigenden Brennraumdrucks zu verhindern bevor der Steuerraumdruck einen ausreichenden Wert angenommen hat, weisen herkömmliche Brennstoffeinspritzventile eine Feder auf, deren Federkraft die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagt. Die Federkraft ist demnach derart bemessen, dass sie die Düsennadel gegen den Brennraumdruck geschlossen zu halten vermag. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demgegenüber ein Brennstoffeinspritzventil eingesetzt, das eine deutlich kleinere Feder oder gar keine Feder aufweist. Denn hier wird die Düsennadel von eine hydraulische Schließkraft F2 beaufschlagt, welche die Düsennadel beim Starten der Brenn- kraftmaschine gegen den ansteigenden Brennraumdruck geschlossen hält.

Das der Figur zu entnehmende Diagramm stellt die auf die Düsennadel wirkenden Kräfte im oberen Totpunkt eines Kolbens einer Brennkraftmaschine dar, und zwar in Abhängigkeit von der Startposition des Kolbens bei Start der Brennkraftmaschine. Die x-Achse zeigt den anteiligen Hub des Kolbens bis zum oberen Totpunkt. Dies soll an zwei herausgegriffenen Beispielen verdeutlicht werden.

Bei dem Wert 0,2 der x-Achse startet der Kolben 20% vor dem oberen Totpunkt. Bei dem Wert 0,8 der x-Achse startet der Kolben 80% vor dem oberen Totpunkt. Im oberen Totpunkt wirken in diesen beiden herausgegriffenen Fällen unterschiedliche Kräfte auf die Düsennadel.

Bei dem Wert 0,2 ist bedingt durch den verzögerten Druckaufbau einer Hochdruckpumpe und der damit fehlenden hydraulischen Schließkraft F2 die notwendige Schließ- kraft Fi durch die Federkraft F3 einer Feder bereitzustellen. Bei dem Wert 0,8 ist die hydraulische Schließkraft F2 bereits größer als die notwendige Schließkraft Fi, so dass in diesem Fall die Federkraft F3 gleich Null sein kann. Die Nutzung der hydraulischen Schließkraft F2 ermöglicht somit eine Minimierung der Federkraft F3. Der maximale Wert der Federkraft F3, entspricht der notwendigen Federkraft der Feder, die verbaut werden muss.

Auf die Federkraft F3 und damit auf die Feder kann ganz verzichtet werden, wenn das Pumpensystem derart ausgelegt ist, dass mit Starten der Brennkraftmaschine ohne Zeitverzug Druck aufgebaut wird. Denn dann rückt der Beginn des Anstiegs der hyd- raulischen Schließkraft F2 in die Nähe des Ursprungs der beiden Achsen des dargestellten Diagramms oder fällt sogar mit dem Ursprung zusammen, so dass bei jeder Startposition des Kolbens die hydraulische Schließkraft F2 ausreichend groß ist, um die Düsennadel geschlossen zu halten. Um mit Starten der Brennkraftmaschine ohne Zeitverzug Druck aufzubauen, kann insbesondere eine Elektrokraftstoffpumpe als Vorförderpumpe eingesetzt werden.