PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19950277B4 27.12.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Einblasen einer Pilotmenge von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
Anmelder IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr, 10587 Berlin, DE
Erfinder Cudok, Matthias, 98617 Belrieth, DE;
Doller, Steffen, 08468 Reichenbach, DE
DE-Anmeldedatum 19.10.1999
DE-Aktenzeichen 19950277
Offenlegungstag 26.04.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse F02M 67/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02B 13/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02B 17/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einblasen einer Kraftstoffmenge in den Brennraum einer Brennkraftmaschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Verfahren und Vorrichtung sind auf Brennkraftmaschinen mit konventioneller Saugrohreinspritzung anwendbar.

Vorbekannt ist aus der europäischen Patentveröffentlichung EP 0 496 029 B1 eine Kraftstoffeinblasvorrichtung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung. Ihr Arbeitsraum wird durch eine Zylinder-Kolben-Einheit gebildet, in deren Zylinderkopf jeweils zwei Ein- und Auslassventile sowie eine Kraftstoffeinblasvorrichtung angeordnet sind. Die Kraftstoffeinblasvorrichtung besteht aus einem mittels eines Ventils betätigbaren, zum Zylinderraum zu öffnenden Mischraum, in den ein Druckluftkanal und eine Kraftstoff-Einspritzdüse münden. Die Kraftstoffeinspritzdüse spritzt in den Mischraum Kraftstoff ein, welcher durch die eingeblasene Druckluft zerstäubt wird und über die mittels Elektromagnet steuerbare Ventilstrecke in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingeblasen wird. Die Dosierung und Zerstäubung des Kraftstoffes wird mittels der eingespritzten Menge des Kraftstoffes und der eingeblasenen Druckluft gesteuert. Die in den Zylinderraum mündende Ventilstrecke lässt den in der Druckluft zerstäubten Kraftstoff in Richtung einer gegenüber einer Zündkerze liegenden Vertiefung im Kolben strömen. Die sich aus Einblasdruck und den geometrischen Verhältnissen der Düse ergebende Verteilung des austretenden Aerosols wird durch Sprühen in Richtung der Kolbenmulde als gut zündfähiges Gemisch direkt in den Umkreis der Zündkerze geleitet.

Weiterhin vorbekannt ist aus der Veröffentlichung US 4,020,803 ein mit einer Einspritzdüse kombiniertes Einblasventil für eine Brennkraftmaschine mit einer Zünd- und Vorkammer. Das Einblasventil ist am Einlass einer mit einem Zylinder verbundenen Vorkammer angeordnet und als in die Vorkammer öffnendes Tellerventil ausgeführt. Eine in diesem Einblasventil verlaufende, mit Kraftstoff beaufschlagte Kanalanordnung mündet in einer durch das Tellerventil gegen eine Vorkammer des Brennraumes geschlossen gehaltenen Mischkammer und ist mit einer durch Federkraft verschlossen gehaltenen Verschlusseinheit versehen. Durch eine seitliche Öffnung der Mischkammer wird Druckluft in diese eingeblasen. Das durch die Mischkammer reichende Einblasventil ist in seiner Führung verschiebbar und gegen die Ventilfederkraft über einen an seinem Schaft angeordneten Anker mittels eines Elektromagneten bewegbar. Der Spritzkanal der innerhalb des Einblasventils eingebrachten Kanalanordnung ist von einem konischen Dichtsitz umgeben und mittels einer Ventilnadel verschließbar. Die Ventilnadel weist am gegenüberliegenden Ende eine Aufnahme für eine Schließfeder auf. Diese Schließfeder stützt sich im ortsfest mit der Ventilführung verbundenen Gehäuse ab. Ihre Kraft drückt die Ventilnadel gegen den Dichtsitz am Spritzkanal. Die Ventilnadel ist innerhalb des Einblasventils in ihrer Führung verschiebbar, jedoch durch einen Anschlag, gebildet durch einen in die Wandung der Ventilführung eingepressten Ring, in ihrem Maximalweg begrenzt. Im geschlossenen Zustand verschließt die Ventilnadel die mit Kraftstoff gefüllte Kanalanordnung innerhalb des Einblasventils. Der Mischraum bildet in diesem Zustand ein mit Druckluft beaufschlagtes abgeschlossenes Volumen. Wird mittels der Elektromagneten der am Einblasventil angeordnete Anker angezogen, so öffnet dieses. Über den seitlichen Einlass der Mischkammer strömt die Druckluft durch die Mischkammer in die Vorkammer und den mit ihr verbundenen Zylinder. Bei geringem Hub des Einblasventils bleibt die Kanalanordnung mit dem darin befindlichen Treibstoff gegen die Mischkammer verschlossen. Die axial bewegliche Ventilnadel wird durch die Verschlussfeder dem Einblasventil nachgeführt und dabei weiterhin auf den Dichtsitz gepresst. Bei größerem Hub des Einblasventils wird die axiale Bewegung der Ventilnadel durch den Sperrring begrenzt, sie hebt vom Sitz ab, da sie weniger Hub ausfahren kann, als das Einblasventil. Der aus dem Spritzkanal austretende Kraftstoff wird von der an seinen Düsenöffnungen vorbeiströmenden Druckluft zerstäubt. Er gelangt über das geöffnete Einblasventil in die Vorkammer und den Zylinder. Beim Schließen des Einblasventils schließt dieses zuerst die Kanalanordnung der Kraftstoffzuführung und nachfolgend die Mischkammer gegenüber der Vorkammer des Brennraumes.

Weiterhin vorbekannt ist aus dem DDAC-Jahrbuch 1934–35, Seite. 89 ein 6-Zylinder Zweitakt-Gegenkolbenmotor mit einer Einblasvorrichtung für ein vorverdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch. Diese besteht aus einer Mischkammer, die Verdichtungsraum einer Kolbenpumpe ist. Der Mischraum mündet über einen verschließbaren Injektor mittig zwischen die beiden Kolben in den Brennraum der Gegenkolbenmaschine. Der Kraftstoff wird mittels einer Förderpumpe dosiert in den Mischraum gefördert und gemeinsam mit dem darin befindlichen Luftvolumen von der Kolbenpumpe verdichtet. Der in den Brennraum mündende Injektor ist mit einer federbelasteten Düsennadel, welche von einer Nockenwelle betätigt wird, verschließbar. Das von der Kolbenpumpe im Mischraum verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch kann somit unter Hochdruck in den Brennraum eingeblasen werden. Es vermischt sich im mit Verbrennungsluft gefüllten Zylinder zu einem zündfähigen Gemisch und wird von einer Zündeinrichtung fremdgezündet.

Weiterhin vorbekannt ist aus der Schrift DE 44 08 553 C1 eine Vorrichtung zum Einblasen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einen Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine. Sie besteht aus einer Mischkammer, einem Kolben und einem in den Brennraum öffenbaren Tellerventil. Die Mischkammer ist Verdichtungsraum einer Kolbenpumpe in welche Einlassöffnungen für Luft und Kraftstoff münden. Die synchron mit der Brennkraftmaschine umlaufende Kolbenpumpe verdichtet den in den Mischraum eingebrachten Kraftstoff und die angesaugte Luft. Das gegen den Zylinderkopf schließende, von einer Feder gehaltene Tellerventil wird vom Pumpenkolben betätigt und öffnet die Mischkammer beim Verdichtungshub des Pumpenkolbens. Das vorverdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt somit in den Brennraum und wird dort von einer Zündvorrichtung gezündet.

Bei den im Stand der Technik beschriebenen Einblasvorrichtungen wird der zur Verbrennung benötigte Kraftstoff in einer Mischkammer mit Luft vermischt und in den Brennraum der Brennkraftmaschine gefördert. Der einzublasende Kraftstoff wird in vorgegebener Menge in die Mischkammer eingebracht. Bei der in der EP 0 496 029 B1 gezeigten Einblasvorrichtung wird Kraftstoff mit Hilfe der an der Mischkammer anliegenden Druckluft in den Brennraum befördert. Die Steuerung der einzublasenden Luftmenge geschieht mittels des den Kanal zum Brennraum freigebenden Ventils. Bei der in der Schrift DE 44 08 553 C1 und der im DDAC-Jahrbuch 1934-35 Seite 89, gezeigten Einblasvorrichtung wird über eine mit der Kurbelwelle synchron laufende Kolbenpumpe das verdichtetet Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder eingebracht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einblasvorrichtung für eine Pilotmenge eines einzuspritzenden Kraftstoff-Luft-Gemisches sowie ein Verfahren zu deren Betreiben zu schaffen, bei der die Menge des einzublasenden Kraftstoffes, das zum Einblasen verwendete Luftvolumen sowie der Einblasdruck und -zeitpunkt variabel steuerbar sind.

Die Aufgabe wird für Einblasvorrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 sowie dem Verfahren zu ihrem Betreiben nach Anspruch 4 gelöst.

Es ist vorteilhaft, dass der Mischraum mittels des verlagerbaren Kolbens ein einstellbares Volumen aufweist, damit abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine definierte Menge Kraftstoff in ein entsprechendes Luftvolumen für die Pilotmenge des Kraftstoff-Luft-Gemisches, in den Mischraum eingespritzt werden kann. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sowie die Menge des einzublasenden Kraftstoff-Luft-Gemisches sind somit bedarfsgerecht einstellbar. Des Weiteren kann der Kolben zum Einschieben des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinderraum benutzt werden. Der Einblasdruck kann durch das Einschieben mittels des Kolbens größer sein, als der für das Einblasen zur Verfügung stehende Luftdruck.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Stellantriebs ist dieser elektrisch verlagerbar. Er ist somit flexibel einstellbar und kann bedarfsgerecht nach den Motorparametern positioniert werden.

Es ist von Vorteil, dass der Ausströmbereich des Kraftstoff-Luft-Gemisches die Zündkerze bzw. Zündkerzen überdeckt, da zum Entflammen ein zündfähiges Gemisch an dieser Stelle notwendig ist.

Weiterhin vorteilhaft ist die Zufuhr des in der Mischkammer gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum durch einen Schusskanal. Dies ist konstruktiv günstig, da im Zylinderkopf nur geringer Bauraum vorhanden ist und somit Mischraum, Kolben und Einspritzventil vom Zylinderkopf entfernt angeordnet werden können. Des Weiteren wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf dem Weg durch den Einblaskanal in diesem erwärmt, was ein besseres Zündverhalten zur Folge hat. Des Weiteren wird die Gefahr eines Thermoschocks gemindert.

Es ist vorteilhaft, das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Mischraum während des Verdichtungshubes vor dem Zündzeitpunkt einzublasen, da somit durch das Nachladen mittels des Kolbens eine bessere Füllung des Zylinders erreicht wird. Des Weiteren kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch erst kurz vor der Zündung eingeblasen werden, damit kann es sich nur minimal im Brennraum verteilen und es verbleibt dort eine Zone zündfähigen Gemisches.

Zum Einsparen von Kraftstoff im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, nur eine geringe Menge Kraftstoff als zündfähiges Gemisch um die Zündkerze herum zum Entflammen zu bringen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geschieht dies, indem nur die durch die Einblasvorrichtung eingebrachte Menge Kraftstoff in den Zylinder eingeblasen wird. Für diesen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine wird ggf. die parallel wirkende konventionelle Saugrohreinspritzung abgeschalten.

Im Leistungsbetrieb wird ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch benötigt. Schichtladung zur Abmagerung des Gemisches ist für hohe Motorleistung ungünstig. In diesem Betriebsbereich wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kein Kraftstoff in den Mischraum eingespritzt. Das maximal mögliche Mischraumvolumen ist mit Luft gefüllt und wird durch den Kolben gegen den Verdichtungsdruck in den Zylinder eingeschoben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Hierbei zeigt:

1 einen Zylinderkopf mit einer erfindungsgemäßen Einblasvorrichtung,

2 eine mögliche Ausführung der Einblasvorrichtung.

In 1 ist ein Zylinderkopf 1 mit einer daran angeordneten erfindungsgemäßen Einblasvorrichtung 2 dargestellt. Der Zylinderkopf 1 schließt einen Brennraum 3 einer Brennkraftmaschine – nicht dargestellt – nach oben ab. In den Brennraum 3 münden über einen Einlasskanal 4 ein Saugrohr 7 mit einem daran angeordneten Einspritzventil 8 zur Saugrohreinspritzung, ein Auslasskanal 5 und ein Einblaskanal 6. Ein- und Auslasskanal 4, 5 sind durch zum Brennraum 3 hin öffenbare Tellerventile 14 verschlossen. Der Einblaskanal 6 ist ebenfalls durch ein zum Brennraum 3 hin öffenbares Tellerventil 17 verschlossen. (detaillierte Darstellung siehe 2) Der Einblaskanal 6 mündet in einen durch einen verlagerbaren Kolben 9 begrenzten Mischraum 10. Dieser weist damit eine durch das Tellerventil 17 (siehe 2) öffenbare Verbindung zum Brennraum 3 auf. Der den Mischraum 10 begrenzende Kolben 9 weist an seiner dem Mischraum 10 gegenüberliegenden Seite eine zylindrische Erweiterung 26 auf, welche den Anker für einen Elektromagneten 11 bildet. In den Mischraum 10 münden ein Druckluftkanal 12 und ein Einspritzventil 13.

Die erfindungsgemäße Einblasvorrichtung 2 kann zum Einblasen eines Kraftstoff-Luft Gemisches mit wahlweise einstellbarem Mischungsverhältnis und Einblaszeitpunkt verwendet werden. Für bestimmte Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine – vorzugsweise Leistungsbetrieb – kann ein Abschalten des Einspritzventils 13 erfolgen. Ohne Kraftstoffeinspritzung in den Mischraum 10 fördert der Kolben 9 zusätzlich zur angesaugten Luft, eine weitere Luftmenge in den Brennraum 3. Der Kolben 9 kann bis zu einer Stellung S2 verlagert werden, wodurch das größte nutzbare Volumen des Mischraums 10 mit Luft gefüllt wird. Die in dem Mischraum 10 befindliche Luft wird in den Brennraum 3 eingeschoben. Im Magerbetrieb kann das Einspritzventil 8 im Saugrohr 7 abgeschaltet werden. Der Brennraum 3 wird dann ausschließlich von der Einblasvorrichtung 2 mit Kraftstoff befüllt. In den Mischraum 10 wird durch das darin angeordnete Einspritzventil 13 wahlweise dosierbar Kraftstoff eingespritzt. Weiterhin gelangt über den Druckluftkanal 12 Luft in den Mischraum 10. Das Luftvolumen ist von der Stellung des Kolbens 9 abhängig. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist durch Verlagern des Kolbens 9 in Richtung Brennraum 3 in diesen einblasbar. Im Druckluftkanal 12 ist ein Rückschlagventil – nicht dargestellt – angeordnet. Es verschließt diesen, wenn der Druck in dem Mischraum 10 größer ist als der von der Druckluftversorgung – nicht dargestellt – erzeugte Luftdruck. Öffnet das den Einblaskanal 6 verschließende Tellerventil 17 (siehe 2) gelangt das Kraftstoff-Luft-Gemisch – bei Magerbetrieb der Brennkraftmaschine – bzw. die komprimierte Luft – bei Leistungsbetrieb der Brennkraftmaschine – in den Brennraum 3.

In 2 ist eine mögliche Ausführung der Einblasvorrichtung 2 an ihrer Mündung in den Brennraum 3 dargestellt. Erfindungsgemäß mündet die Einblasvorrichtung 2 zum Brennraum 3 hin öffenbar. Ein Tellerventil 17 verschließt das brennraumseitige Ende des Einblaskanals 6. Der Schließteller 15 ist fest an einem Ventilschaft 16 angeordnet, der durch den Einblaskanal 6geführt ist. In diesem ist es mit am Ventilschaft 16 angeordneten Gleitstützen 18 im Einblaskanal 6 geführt. Weiterhin ist der Ventilschaft 16 verschiebbar im Zylinderkopf 1 geführt. An seiner dem Mischraum 10 zugewandten Seite ist am Ventilschaft 16 ein Federgegenhalter 19 angeordnet. Er ist verschiebbar in einer zylindrischen Ausnehmung 20 im Boden des Mischraums 10 geführt. Eine Schließfeder 22, die auf einer Seite am Federgegenhalter 19 und der anderen Seite auf dem Grund der zylindrischen Ausnehmung 20 des Mischraums 10 abgestützt ist, hält das Tellerventil 17 auf seinem Sitz 23 im Zylinderkopf 1. Der Einblaskanal 6 verzweigt an seinem dem Mischraum 10 zugewandten Ende in zwei Kanäle 24, welche in den Mischraum 10 münden. Dieser ist mit dem Einblaskanal 6 über die in den Federgegenhalter 19 eingebrachten Bohrungen verbunden. Wird die in dem Mischraum 10 befindliche Luft durch Verlagern des Kolbens 9 komprimiert, so steigt der Druck in diesem und im Einblaskanal 6. Ist die aus dem Druck auf den Schließteller 15 resultierende Kraft größer als die Summe der Schließkraft der Schließfeder 22 und der vom Brennraum 3 auf den Schließteller 15 wirkenden Kraft durch die Verdichtung; öffnet das Tellerventil 17 in Richtung Brennraum 3.

Die in 2 gezeigte Mündung der Einblasvorrichtung 2 in den Brennraum 3 stellt lediglich eine mögliche Ausführungsform dar. Deren Betätigung kann ebenfalls mechanisch, z.B. direkt durch den Kolben 9, oder durch Elektromagneten – nicht dargestellt –, denen ein speziell ausgestalteter Federgegenhalter 19 als Anker dient, erfolgen.


Anspruch[de]
Einblasvorrichtung (2) für Kraftstoff für eine Pilotmenge zündfähigen Gemisches für fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit folgendem Aufbau:

– ein zum Brennraum (3) hin steuerbar öffnendes Einblasventil ist einem Mischraum (10) für Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeordnet,

– in den Mischraum (10) münden ein Druckluftkanal (12) und steuerbar öffnend ein Einspritzventil (13) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Mischraum (10),

dadurch gekennzeichnet, dass

der Mischraum (10) ein einstellbares nützbares Volumen aufweist wobei der Mischraum einseitig von einem Kolben (9) begrenzt ist, der mittels einer Stelleinrichtung zum Einstellen des Mischraumvolumens verlagerbar ist, und das Volumen der von dem Druckluftkanal (12) in den Mischraum (10) gelangenden Luft von einer Stellung des Kolbens (9) abhängig ist.
Einblasvorrichtung (2) für Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung für den Kolben (9) zur Veränderung des Mischraumvolumens ein elektrisch betätigter Stellantrieb ist. Einblasvorrichtung (2) für Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischraum (10) mit dem Brennraum (3) über einen mit einer steuerbar öffnenden Ventilnadel verschließbaren Einblaskanal (6) verbunden ist. Verfahren zum Einblasen von Kraftstoff mit einer Einblasvorrichtung (2) einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung, in deren Brennraum (3) über einen Einlasskanal (4) ein Saugrohr (7) mit einem daran angeordneten Einspritzventil (8) zur Saugrohreinspritzung und ein Einblaskanal (6) der Einblasvorrichtung (2) münden, wobei der Einblaskanal (6) einen Mischraum (10) mit dem Brennraum (3) verbindet, wobei der Mischraum (10) ein einstellbares nutzbares aufweist und einseitig von einem Kolben (9) begrenzt ist, der mittels einer Stelleinrichtung zum Einstellen des Mischraumvolumens verlagerbar ist, und das Volumen der von dem Druckluftkanal (12) in den Mischraum (10) gelangenden Luft von einer Stellung des Kolbens (9) abhängig ist, und in den Mischraum (10) ein Einspritzventil (13) zum Einspritzen von Kraftstoff mündet, wobei abhängig vom Betriebsbereich der Brennkraftmaschine

im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine die Kraftstofffüllung des Brennraumes (3) allein von dem durch die Einblasvorrichtung (2) eingeblasenen Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird, oder

im Leistungsbetrieb der Brennkraftmaschine die in dem Mischraum (10) befindliche Luft in den Brennraum (3) eingeschoben wird, jedoch dabei kein Kraftstoff in den Mischraum (10) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Leistungsbetrieb der Brennkraftmaschine die Stelleinrichtung für den Kolben (9) diesen bis zu einer Stellung (S2) verlagert, so dass das größte nutzbare Volumen des Mischraums (10) eingestellt wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com