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WO2007031157A1 - Verfahren zum betrieb einer fremdgezündeten brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer fremdgezündeten brennkraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO2007031157A1
WO2007031157A1 PCT/EP2006/007777 EP2006007777W WO2007031157A1 WO 2007031157 A1 WO2007031157 A1 WO 2007031157A1 EP 2006007777 W EP2006007777 W EP 2006007777W WO 2007031157 A1 WO2007031157 A1 WO 2007031157A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injection
fuel
mixture
crank angle
cylinder
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/007777
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Köhler
Christoph Lux
Michael Oechsle
Matthias Werner
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102005044544.6A external-priority patent/DE102005044544B4/de
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
Priority to JP2008530348A priority Critical patent/JP4782836B2/ja
Publication of WO2007031157A1 publication Critical patent/WO2007031157A1/de
Priority to US12/075,791 priority patent/US7654245B2/en

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/402—Multiple injections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/06—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up
    • F02D41/062—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up for starting
    • F02D41/064—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up for starting at cold start
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3017—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
    • F02D41/3023—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the stratified charge spark-ignited mode
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D2041/389—Controlling fuel injection of the high pressure type for injecting directly into the cylinder
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a spark-ignited, direct-injection, in particular according to the A-stroke principle operating internal combustion engine.
  • the invention further relates to a method for cold running operation of a spark-ignited, direct-injection, in particular operating according to the 4-stroke principle internal combustion engine.
  • spark-ignition internal combustion engines are widely used, which are also referred to as gasoline engine.
  • Such internal combustion engines are increasingly provided with an injector, by means of which a direct injection of fuel is made in the cylinder of the internal combustion engine. With fresh air drawn into the cylinder, a fuel / air mixture is formed which is ignited at a predetermined ignition timing by means of a spark plug to initiate combustion.
  • direct injection gasoline engines can be operated in so-called shift operation.
  • the entire fuel mass is injected immediately before the ignition timing to produce a defined injection in the spark plug.
  • the particulate emission starts to increase sharply during stratified operation, since the fresh mixture in the region of the spark plug becomes very rich, even though the fuel / air ratio is still significantly lean over the entire cylinder volume.
  • the so-called soot limit ie the load at which the particle emission of the engine becomes unacceptably high, limits the direct injection gasoline engine to the load range possible in stratified operation to high loads.
  • the internal combustion engine in order to save fuel and to reduce pollutant emissions, it is desirable to operate the internal combustion engine with a high excess of air or with a high content of inert gas.
  • the latter is achieved for example by exhaust gas retention or exhaust gas recirculation into the cylinder interior.
  • the engine can be operated with higher charge masses or higher intake manifold pressures, which leads to a reduction of throttle losses in homogeneous operation and thus to a reduction in fuel consumption.
  • Due to a high inert gas content in the combustion chamber the combustion chamber temperature can be lowered and thus the formation of nitrogen oxides during combustion can be reduced.
  • the range in which the engine can be operated with high inert gas contents is limited by the quiet running, which decreases sharply in conventional homogeneous operation with increasing inert gas.
  • Another problem with conventional operating methods of a gasoline engine is the cold start and the subsequent cold running phase.
  • direct injection gasoline engines are operated in homogeneous operation. Since the combustion chamber walls are still very cold after the cold start, large quantities of the fuel injected into the intake stroke accumulate on the combustion chamber walls and on the piston crown. This non-combustion fuel results in large amounts of unburned hydrocarbons or particulate emissions.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a spark-ignited, direct-injection internal combustion engine with reduced fuel consumption and pollutant emissions over an extended range.
  • the invention is based on the further object of specifying a method for the cold-running operation of a spark-ignition internal combustion engine, in which, in conjunction with good running smoothness and low emission values, rapid heating of the catalytic converter is achieved.
  • a method is proposed, in which a crank angle is determined in a first method step depending on at least the load of the internal combustion engine, in which a first injection of fuel takes place, through which a lean mixture is produced in the cylinder whose local air ratio is greater than 1.0 is. Subsequently, depending on at least the load of the internal combustion engine, a further crank angle is determined in which a second injection of fuel is produced by the cylinder in comparison to the lean mixture and embedded in the lean mixture mixture cloud whose local air ratio is less than 1.0 or is 1.0. Subsequently, a third injection of fuel in the form of a stratified injection preferably takes place shortly after an ignition point in order to generate a locally enriched in the region of the spark plug and ignitable fuel / air mixture.
  • the proposed method can also be used after the cold start at low temperatures, a strong wetting of the cold combustion chamber walls and the cold piston soil because the first injection of the lean mixture only allows small amounts of fuel to come into contact with the cold engine parts. By reducing the first injection quantity, less fuel is deposited on the cold components. This results in a strong reduction in the emission of unburned hydrocarbons, since the stored fuel is not detected by the combustion, but is pushed out unburned into the exhaust duct.
  • the three aforementioned injections are carried out in at least approximately the entire load range of the internal combustion engine.
  • a mode switchover is not required. Rather, an adaptation to the different load conditions takes place solely by selecting different injection times and quantities.
  • the first and the second injection preferably takes place in each case as stratified injection in a compression stroke.
  • the first injection is performed at a crank angle of about 70 ° before an upper Zündtot Vietnamese and the second injection at a crank angle of about 30 ° before the upper Zündtot Vietnamese. Because of the low load, the first injection quantity can be kept comparatively small.
  • the injection in the compression stroke a homogeneous distribution over the entire cylinder volume and thus an inadmissible, flammability impairing emaciation is avoided.
  • the second injection in the compression stroke relatively shortly before the ignition ensures that the fuel is held together centrally in the area of the spark plug.
  • the third injection as stratified injection in the immediate vicinity of the ignition ensures a safe flammability, which spreads from there via the fatter mixture cloud to the lean mixture.
  • the first injection is advantageously carried out as homogeneous injection into an intake stroke, and the second injection as a shift injection into the compression stroke.
  • medium loads injection times have proven advantageous in which the first injection at a crank angle of about 300 ° before the upper Zündtot Vietnamese and the second injection starts at a crank angle of about 60 ° before the upper Zündtotddling.
  • the first injection expediently begins at a crank angle of about 300 ° before the upper Zündtot Vietnamese and the second injection at a crank angle of about 180 ° before the upper Zündtot Vietnamese.
  • the aforementioned injection times can be arbitrarily and continuously converted into each other.
  • the air ratio of the lean mixture is advantageously chosen such that a combustible, but not ignitable fuel / air mixture is formed. This contributes to the reduction of consumption and pollutants. Despite the ignitability of the spark plug, it is possible to ensure reliable ignition by the embedded, more greasy mixture cloud and therefore a cleaner engine even under extreme operating conditions such as high excess air or high inert gas content.
  • the air ratio of the richer mixture cloud is preferably chosen such that a combustible and ignitable fuel / air mixture is formed, without, however, generating excessive particle emission. After ignition of the mixture cloud, the flame front spreads from here to the lean mixture and burns this with.
  • the injection rates of all three injections are matched to each other such that the average global air ratio averaged over the cylinder volume is in a range of from about 1.0 to about 4.0 inclusive or even greater.
  • At least one of the aforementioned three injections is designed as a multiple injection, in particular as a double or triple injection.
  • a corresponding injector embodied, for example, in a piezobaw design
  • one or more of the abovementioned three injections can be divided into short partial injections lasting only a few milliseconds. This allows a precise adaptation of the charge stratification to the respective load case.
  • the third injection as a multiple injection, it is possible to set the ignition between two short individual injections and thus to influence the ignitability and flame spread.
  • the time of the third injection is advantageously adapted to the ignition point or coupled to it.
  • the priority of the speed-dependent selected setting of the ignition timing and the coupled timing of the injection is ensured that at different ignition timing always the injection of the third injection is detected by the spark.
  • a reliable ignition is ensured, which is transferred to the fuel quantities of the second and first injection.
  • An injection end of the third injection is preferably in the range of the ignition timing and in particular between 0 ° and including 10 ° crank angle before the ignition timing. This area has proven to be advantageous for safe ignition and subsequent combustion.
  • a saving of fuel can be achieved by the operation of the direct-injection gasoline engine with high excess air or high inert gas contents by reducing the throttle losses. be enough.
  • a free selectability of the ignition timing and the throttling to avoid catalyst cooling due to low exhaust gas temperatures is given. After a cold start at extremely low temperatures, safe operation with reduced particulate, carbon monoxide and hydrocarbon emissions is possible. Highly de-throttled operation allows faster mode switching.
  • the inert gas in the combustion chamber leads to a significant reduction in nitrogen oxide emissions as a result of the reduction in the combustion temperature. At most, only very locally on the spark plug a hot combustion. This also consumption advantages due to less necessary regenerations of the NOX storage catalyst can be achieved. Also, an improvement in smoothness in operation with excess air can be achieved by reduced gradient of the combustion chamber pressure as a result of a slower compared to the conventional stratified operation combustion.
  • the resulting exhaust gases may contain pollutants that do not comply with relevant regulations without post-treatment measures.
  • the fuel / air mixture in the cylinder is not completely burned.
  • the resulting exhaust gas contains proportions of hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides, for their conversion into environmentally friendly substances downstream of a catalytic converter in the exhaust system.
  • the effectiveness of the catalytic converter depends on its operating temperature and only starts above a threshold temperature, the so-called light-off temperature. During cold start and in the following cold running operation, only poor mixture preparation can be achieved in the cold cylinder or combustion chamber of the internal combustion engine. The likewise still cold or insufficiently heated catalytic converter can not or insufficiently convert the resulting high hydrocarbon and carbon monoxide emissions.
  • quiet engine operation is aimed for despite the cold engine components and, on the other hand, rapid heating of the exhaust gas catalytic converter.
  • the engine is operated after the cold start with a rich mixture of charges in order to ensure sufficient flame resistance and thus an acceptable smoothness. It is aimed at a late ignition, but its late position is limited by the flammability and thus the quiet engine running.
  • the rich mixture leads to high levels of unburned fuel in the exhaust gas, which can be used to heat the still cold catalytic converter.
  • thermal post-combustion can take place, the heat of reaction heats the catalytic converter.
  • the disadvantage here are the necessary use of an electrically operated secondary air pump or a secondary air charger and a plurality of electrical and pneumatic switching valves. The function of these components must be diagnosed consuming. Emissions and smoothness are not satisfactory.
  • a method is proposed in which first of all an intake stroke of the internal combustion engine results in a first injection of fuel as a suction stroke injection.
  • a lean, combustible, but not ignitable fuel / air mixture is generated in the cylinder. That the whole Cylinder volume filling lean fuel / air mixture provides a sufficient supply of oxygen molecules for post-oxidation. Due to the small injection quantity into the fresh charge which is cold during the intake stroke, the accumulation of fuel on the cold combustion chamber walls and the cold piston bottom is greatly reduced. The hydrocarbon emissions resulting from such accumulated and unburned fuel quantities are reduced.
  • a second injection of fuel is carried out as a compression stroke injection, in which a combustible and ignitable fuel / air mixture is generated in the cylinder.
  • This ensures fast and safe combustion. Due to the significantly higher cylinder temperatures in the compression stroke, the fuel injected into the compression stroke is processed much better. This results in spite of the rich mixture that hardly any fuel is deposited on the combustion chamber walls and the piston crown. Due to the rich combustion of the post-reaction in the outlet channel a large amount of carbon monoxide and hydrogen is provided, which contain large amounts of chemical energy for heating the catalytic converter.
  • a third injection of fuel in the form of a stratified injection takes place, at least close to an ignition time, in order to produce a fuel / air mixture enriched locally in the area of the spark plug.
  • the comparatively low injection quantity in the form of a defined injection jet guarantees safe ignition at the edge areas of the jet.
  • the flame front spreads rapidly into the rich charge layer around the spark plug created by the compression stroke injection.
  • the flame front of the combustion is continued in the further course of the power stroke in those areas of the combustion chamber in which the lean mixture of the suction stroke injection is present.
  • the burning speed is reduced significantly due to the high air ratio present here and is therefore not yet completed when opening the exhaust valve.
  • very high exhaust gas temperatures are achieved in the exhaust duct and upstream of the downstream catalytic converter.
  • the low air ratio prevailing in the area of the spark plug allows a comparatively late position of the ignition point without adversely affecting the ignitability.
  • a high exhaust gas temperature can be generated because the late ignition point has a late center of gravity and a late burning end result.
  • These boundary conditions in conjunction with the high exhaust gas temperatures and the slight excess of oxygen favor a post-oxidation of carbon monoxide, hydrogen and hydrocarbon in the exhaust system, which takes place as thermal afterburning both in the exhaust duct and exhaust manifold, and in the downstream catalytic converter.
  • the released heat of reaction causes a further increase in the exhaust gas temperature.
  • the high exhaust gas temperature as well as the oxidation of carbon monoxide and hydrocarbon in the catalyst itself provide an accelerated heating of the catalytic converter, which thereby achieves its light-off temperature after only a few seconds.
  • the suction stroke injection is preferably carried out in such a way that an at least approximately homogeneous fuel / air mixture is established in the cylinder. Inevitable condensation amounts of fuel on cold engine parts are reduced while ensuring uniform propagation of the flame front in the subsequent combustion.
  • a preferred air ratio of about 1.6 has been found to be useful.
  • the compression stroke injection is preferably carried out in such a way that, within the homogeneous fresh charge, a mixture mixture that is fatter in comparison with it is formed, which is embedded in the lean homogeneous fuel / air mixture.
  • the thicker mixture cloud preferably has an air ratio of less than or equal to 1.0, which ensures a high ignitability and a locally limited fast combustion.
  • the averaged over the cylinder volume, resulting from all injections global air ratio is in a range of from about 1.0 to greater than 1.0, and in particular is between 1.0 and 1.05 inclusive.
  • the suction stroke injection and / or the compression stroke injection and / or the stratified injection are designed as a multiple injection, in particular as a double or triple injection.
  • the fuel quantities to be injected in each case in the case of the abovementioned three injections are subdivided into partial quantities which, taken by themselves, are introduced into the cylinder within a few milliseconds.
  • the homogenization of the suction stroke injection, the shape and the stratification of the mixture cloud generated by the compression stroke injection, and the ignition conditions at the spark plug in the stratified injection can be adjusted in a defined manner.
  • the time of the intake stroke injection and the compression stroke injection is advantageously coupled to the crank angle of the crankshaft and thus to the respective state of the process cycle, wherein the suction stroke injection at a crank angle of about 260 ° before the top Zündtot Vietnamese, and the compression stroke injection at a crank angle of about 30 ° before the upper Zündtot Vietnamese has been found to be expedient.
  • the stratified injection is preferably adapted to the ignition time. At different load conditions and in particular speed ratios of the ignition timing is changed and with him the timing of the stratified injection. It is ensured that, even with different ignition times, the coordinated stratified injection ensures reliable ignition of the cylinder charge.
  • the ignition point expediently lies after the upper ignition dead center and in particular in FIG a crank angle range of 0 ° to 35 °, preferably 15 ° to 30 ° after the top Zündtot Vietnamese.
  • the injection end of the stratified injection is expediently in the region of the ignition point and preferably between 0 ° and 10 ° crank angle before the ignition point.
  • the injection quantities of the compression stroke injection and / or the stratified injection are controlled or regulated by means of a control device as a function of the operating temperature of the exhaust gas catalyst reached. Likewise, a control or regulation of the respective times may be appropriate. With increasing temperature of the catalytic converter and its onset of action, the exhaust gas values can be minimized and the overall efficiency of the internal combustion engine can be improved.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first internal combustion engine in the region of an indicated cylinder with an injector, a spark plug and a control unit, wherein the cylinder is filled differently according to the inventive method at part load in different areas with a fuel / air mixture;
  • FIG. 2 shows a diagrammatic representation of the injections provided according to the invention at different crank angles in the arrangement according to FIG. 1 at partial load
  • FIG. Fig. 3 shows the arrangement of Figure 1 in the low load range with each introduced as a layer injection KraftStoffmengen.
  • FIG. 4 shows the diagram representation according to FIG. 2 with the representation of the individual injections in the internal combustion engine according to FIG. 3 at low load;
  • Figure 5 shows the arrangement of Figures 1 and 3 at full load with a lean homogeneous charge and a fatter mixture cloud embedded therein.
  • Fig. 6 is a diagram of the different in
  • FIG. 7 is a schematic representation of a second internal combustion engine in the region of an indicated cylinder with an injector, a spark plug, a control unit and an exhaust gas catalyst, wherein the cylinder is filled according to the inventive method in different areas differently with a fuel / air mixture,
  • FIG. 8 shows a diagrammatic representation of the injections provided according to the invention at different crank angles in the internal combustion engine according to FIG. 7.
  • FIG 1, 3 and 5 show in a schematic representation of a detail of a first spark-ignited, direct injection 4-stroke internal combustion engine in the region of a cylinder 4 in different operating conditions.
  • the first method according to the invention will be described using the example of FIG shown cylinder 4 shown.
  • the internal combustion engine may have one or more cylinders 4 each having a piston 17 cyclically moved up and down therein.
  • the cylinder 4 is closed in its longitudinal direction on the opposite side of the piston 17 by a cylinder head 19, wherein the interior of which is limited in the opposite direction by the piston 17. Due to the up and down movement of the piston 17 and coupled thereto timing of intake and exhaust valves, not shown, a total of four in a cyclic sequence juxtaposed, in connection with Figs. 2, 4 and 6 described in detail process cycles of the internal combustion engine.
  • an injector 3 is provided, which is actuated by means of a schematically indicated control unit 16.
  • the ignition is controlled by the spark plug 5 by means of the control unit 16 in addition to the injection by the injector 3.
  • the ignition causes ignition and combustion of the in-cylinder 4 fuel / air mixture.
  • the resulting exhaust gas is led out by means of one or more exhaust valves, not shown, through an exhaust passage 18 from the cylinder 4 and passed through for treatment by an exhaust gas catalyst 1.
  • the catalytic converter 1 may be of any suitable design and is in the illustrated embodiment, a three-way end wall catalyst. In the method according to the invention for operating the spark-ignition internal combustion engine shown here, a total of three injections 9, 10, 11 of fuel 2 are made by means of the injector 3, which are described in more detail in connection with FIGS. 2, 4 and 6.
  • FIG 2, 4 and 6 each show a diagrammatic representation of various individual sequences of the method according to the invention at different load states as a function of a crank angle ⁇ of a crankshaft, not shown, which determines the axial position of the piston 17 in the cylinder 4 (FIGS. 1, 3 and 5) ) pretends.
  • a crank angle ⁇ of 0 ° indicates an upper Zündtotddling ZOT, in which the cylinder interior contains a fuel / air mixture in which the intake and exhaust valves, not shown, are closed, and in which the piston 17 shown in FIG the cylinder head 19 closest axial position, which has compressed in the cylinder 4 located fuel / air mixture.
  • an ignition of the fuel / air mixture by means of the spark plug 5 (Fig. 1, 3 and 5) is made.
  • a first cycle of the 4-stroke process is a suction cycle 6, which extends over a crank angle range ⁇ of 360 ° to 180 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT. This is followed by a compression stroke 7, which extends over a crank angle range ⁇ of 180 ° to 0 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT. Subsequently, a power stroke 8 runs from the upper Zündtot Vietnamese ZOT with a crank angle ⁇ from 0 ° to 180 °, followed by an exhaust stroke 22 of 180 ° to 360 ° crank angle ⁇ after the upper Zündtotddling ZOT.
  • the end of the exhaust stroke 22 at a crank angle ⁇ of 360 ° after the upper Zündtot Vietnamese ZOT corresponds to the beginning of a subsequent intake stroke 6 at a crank angle ⁇ of 360 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT.
  • the intake valves not shown, perform a valve lift h in accordance with a curve 20, which largely extends over the intake stroke 6 and still extends partially into the compression stroke 7. With a valve lift h greater than 0 of the intake valves, fresh air, possibly assisted by a supercharger, is sucked into the interior of the cylinder 4 (FIGS. 1, 3 and 5).
  • a schematically indicated exhaust gas recirculation 24 is provided, which returns a predetermined amount of exhaust gas into the cylinder 4 under the action of the control unit 16.
  • An increased content of inert gas or exhaust gas can also be brought about by appropriately set, possibly controlled or regulated valve control times.
  • a crank angle ⁇ l is determined depending on at least the load of the internal combustion engine, in which a first injection 9 of fuel 2 takes place, through which a lean mixture 13 is generated in the cylinder 4.
  • the local air ratio ⁇ l of the lean mixture 13 is greater than 0 and preferably chosen such that a combustible, but not ignitable fuel / air mixture is formed.
  • a crank angle ⁇ 2 is determined in which a second injection 10 of fuel 2 takes place, through which a mixture cloud 14 which is more greasy than in the lean mixture 13 and embedded in the lean mixture 13 is produced in the cylinder 4.
  • Air ratio ⁇ 2 which is less than or equal to 1.0.
  • the air ratio ⁇ 2 of the mixture cloud 14 is selected such that a combustible and ignitable fuel / air mixture is formed in the mixture cloud 14.
  • a third injection 11 of fuel 2 takes place in the form of a stratified injection to produce a locally enriched in the spark plug 5 and ignitable fuel / air mixture.
  • Figs. 1 and 2 For a more detailed explanation of the preferred embodiments of the aforementioned method steps are shown in Figs. 1 and 2, the process conditions at partial load, in Figs. 3 and 4 at low load and in Figs. 5 and 6 at high load or at full load. Accordingly, the three injections 9, 10, 11 are performed at least approximately in the entire load range of the internal combustion engine. However, it may also be expedient to carry out the method according to the invention only in individual load ranges.
  • FIG. 1 and 2 show the process conditions in ordinary, medium operating load.
  • the first injection 9 is executed as a homogeneous injection in the intake stroke 6, wherein in the following, shown in Fig. 1 compression stroke 7, the entire interior of the cylinder 4 is at least approximately homogeneously filled with the lean mixture.
  • the first injection 9 starts at a crank angle ⁇ 1 of about 300 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT and extends over a period or over a crank angle ⁇ , which is required for the introduction of the required amount of fuel to achieve the predetermined air ratio ⁇ l.
  • the illustration in FIG. 2 shows that the crank angle range of the first injection 9 is greater than that of the subsequent injections 10, 11, and therefore the greater part of the total fuel quantity is injected in the first injection 9.
  • the second injection 10 takes place as stratified injection in the compression stroke 7 and starts at a crank angle ⁇ 2 of about 70 ° before the upper ignition dead center ZOT.
  • the duration of injection and thus the injection quantity is lower than that of the first injection 9, but greater than that of the third injection 11. This results in the mixture cloud 14 embedded in the lean mixture 13.
  • the time of the third injection 11 is not coupled to the crank angle ⁇ , but to the ignition timing 12 varying with the rotational speed.
  • the ignition timing 12 is shown here by way of example at a crank angle ⁇ Z of about 15 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT, but in particular speed-dependent together with the third injection 11 occupy a different position.
  • it may also be expedient, in the cold running operation for heating the catalytic converter 1, to move the ignition time 12 and the third injection 11 into the power stroke 8 after the upper ignition dead center ZOT.
  • the third injection 11 is designed in its jet shape in such a way that it is introduced into the mixture cloud 14 and thereby passes directly by the spark region of the spark plug 5. to be led. Due to the immediate temporal proximity of the third injection 11 to the ignition point 12 takes place in conjunction with the locally enriched on the spark plug 5 mixture reliable ignition, which is transferred to the mixture cloud 14 and the lean mixture 13.
  • the lean mixture 13 does not fill the entire cylinder volume. This avoids that the low fuel quantity for the low load range is no longer combustible due to excessive volumetric distribution. Rather, the lean mixture 13 forms a locally limited cloud, which was not ignitable by means of the spark plug 5, but is flammable. In this cloud of lean mixture 13, the fatter mixture cloud 14 is embedded. Ignition and flame propagation through the rich mixture cloud 14 and the lean mixture 13 otherwise correspond to the partial load operation according to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 6 shows, however, that the first injection 9 as homogeneous injection in the intake stroke 6 at a crank angle ⁇ l of about 300 ° before the top Zündtotddling ZOT begins and to provide a higher amount of fuel compared to the illustration of FIG. 2 over a wider
  • the downstream second injection 10 begins at a crank angle ⁇ 2 of about 180 ° before the upper Zündtotddling ZOT and also extends over a wider crank angle range ⁇ .
  • the amount of fuel of the first injection 9 is selected such that the lean mixture 13 is still combustible as a homogeneous background mixture, but at the same time still enough residual amount for the two following injections 10, 11 to set the required total fuel.
  • the second injection 10 is selected such that the injected fuel quantity remains on the one hand in the immediate vicinity of the spark plug, but on the other hand so far distributed that the resulting fuel / air ratio in this area is approximately stoichiometric.
  • the greater the fuel mass introduced into the combustion chamber as the second injection 10 the sooner its injection must take place in order to provide it with sufficient time for mixture preparation and distribution in the combustion chamber.
  • the third injection 11 corresponds in its configuration of the third injection 11 according to FIGS. 1 to 4 at partial load or at low load. In contrast it can only be necessary to take into account the higher combustion chamber pressure at higher loads the amount of. If necessary, the third injection 11 may be slightly larger, since larger amounts of fuel may be required to form the jet at higher combustion chamber pressures.
  • FIGS. 1 to 6 show by way of example three different operating states at partial load, low load and full load.
  • adjustments to intervening operating parameters or load ranges can be made by particular stepless displacement of the first and the second injection 9, 10 in terms of time and injection quantity within the limits shown, whereby a targeted adaptation to the load applied to the internal combustion engine is ensured.
  • the global air ratio ⁇ averaged over the entire cylinder volume and resulting from all injections 9, 10, 11 is set in a range of between about 1.0 and up to and including about 4.0 or greater.
  • the three injections 9, 10, 11 extend continuously over the specified crank angle range ⁇ .
  • an embodiment of the injector 3 as a piezo injector may be appropriate.
  • an injection end 15 of the third injection 11 is shown lying in the region of the ignition point 12 by way of example. It may also be expedient to place the injection end 15 in a crank angle range ⁇ of 0 ° to about 10 ° before the ignition time 12. In conjunction with an embodiment of the third injection 11 as a multiple injection, it may also be advantageous to carry out a partial injection before and after the ignition 12 in order to influence the ignition and the subsequent combustion process.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a detail of a second spark-ignited, direct-injection 4-stroke internal combustion engine in the region of a cylinder 4. Gleichlacede elements and similar features are provided with the same reference numerals as in the first internal combustion engine according to FIGS. 1 to 6.
  • the inventive second method is again shown using the example of the cylinder 4 shown here.
  • the internal combustion engine may have one or more cylinders 4 each having a piston 17 cyclically moved up and down therein.
  • the cylinder 4 is closed in its longitudinal direction on the opposite side of the piston 17 by a cylinder head 19, wherein the interior of which is limited in the opposite direction by the piston 17.
  • an injector 3 For injecting fuel 2 into the cylinder 4, an injector 3 is provided, which is actuated by means of a schematically indicated control unit 16.
  • the ignition is controlled by the spark plug 5 by means of the control unit 16.
  • the ignition causes ignition and combustion of the in-cylinder 4 fuel / air mixture.
  • the resulting exhaust gas is led out by means of one or more exhaust valves, not shown, through an exhaust passage 18 from the cylinder 4 and passed through for treatment by an exhaust gas catalyst 1.
  • the catalytic converter 1 may be of any suitable design and is in the illustrated embodiment, a three-way end wall catalyst.
  • a crank angle ⁇ of 0 ° indicates an upper Zündtot Vietnamese ZOT, in which the cylinder interior contains a fuel / air mixture in which the intake and exhaust valves, not shown, are closed, and in which the piston 17 shown in Fig. 7 in its the axial direction closest to the cylinder head 19 has compressed the fuel / air mixture located in the cylinder 4.
  • the fuel / air mixture is ignited by means of the spark plug 5 (FIG. 7).
  • a first cycle of the 4-stroke process is a suction cycle 6, which extends over a crank angle range ⁇ of 360 ° to 180 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT. This is followed by a compression stroke 7, which extends over a crank angle range ⁇ of 180 ° to 0 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT. Subsequently, a power stroke 8 runs from the upper Zündtot Vietnamese ZOT with a crank angle ⁇ from 0 ° to 180 °, followed by an exhaust stroke 22 of 180 ° to 360 ° crank angle ⁇ after the upper Zündtotddling ZOT.
  • the end of the exhaust stroke 22 at a crank angle ⁇ of 360 ° after the upper Zündtot Vietnamese ZOT corresponds to the beginning of a subsequent intake stroke 6 at a crank angle ⁇ of 360 ° before the upper Zündtot Vietnamese ZOT.
  • the intake valves perform a valve lift h in accordance with a curve 20, which largely extends over the intake stroke 6 and still extends partially into the compression stroke 7.
  • a valve lift h> 0 of the intake valves fresh air, possibly assisted by a supercharger, is sucked into the interior of the cylinder 4 (FIG. 7).
  • a valve lift h of the exhaust valves, not shown, represented by a curve 21 is.
  • the exhaust valves are opened substantially via the exhaust stroke 22, wherein the opening of the exhaust valves already begins towards the end of the power stroke 8.
  • the exhaust valves are open, the resulting exhaust gas is passed through the exhaust duct 18 and the downstream exhaust gas catalytic converter 1 indicated in FIG.
  • the suction stroke injection 9 is designed such that in the cylinder 4, an at least approximately homogeneous lean mixture 13 is generated with an air ratio ⁇ l of about 1.6.
  • the intake stroke injection 9 takes place at a crank angle ⁇ of approximately 260 ° before the upper ignition dead center ZOT.
  • the suction stroke injection 9 can be a single injection taking place over a longer period of time.
  • the suction stroke injection 9 can also be executed as a multiple injection, in particular as a double or triple injection with short individual injections in the time range of a few milliseconds.
  • a second injection of fuel 2 is carried out as Kompressionshubeinspritzung 10.
  • the compression stroke injection 10 is in the illustrated embodiment at a crank angle ⁇ of about 30 ° before the top Zündtot Vietnamese and is designed as a time-dispersed single injection. Similar to the suction stroke injection 9 can also be made a multiple injection.
  • the Kompressionshub worn 10 is performed in the embodiment shown by means of the force acting on the injector 3 control unit 16 such that forms within the lean mixture 13 in comparison to the lean mixture 13 fatter mixture cloud 14.
  • the mixture cloud 14 is embedded in the lean mixture 13 of the suction stroke injection 9 and has a combustible and ignitable fuel / air mixture with an air ratio ⁇ 2 of less than 1.0.
  • the spatially limited mixture cloud 14 which does not fill the interior of the cylinder 4 preferably does not extend to cold wall components of the internal combustion engine, such as the cylinder 4, the piston 17 or the cylinder head 19, but extends to the spark region of the spark plug 5.
  • a third injection of fuel 2 takes place in the form of a stratified injection 11 ', which is designed in its jet form such that it is introduced into the mixture cloud 14 and is guided past the spark region of the spark plug 5. Also, the stratified injection 11 'may be performed in accordance with the intake stroke injection 9 or the compression stroke injection 10 as a single or multiple injection.
  • the time of the stratified injection 11 is not coupled to the crank angle ⁇ , but to the time position of the ignition point 12 '.
  • the ignition timing 12 'in the compression stroke 7 may be before the upper Zündtot Vietnamese ZOT or after in the power stroke 8.
  • the ignition point 12 is after the upper Zündtot Vietnamese ZOT and in particular in a crank angle range ⁇ from 0 ° to 35 °, preferably from 15 ° to 30 ° after the upper Zündtotddling ZOT.
  • the ignition time is 12 'at a Crank angle ⁇ of about 20 ° shown.
  • the stratified injection 11 ' is located shortly before the ignition point 12', an injection end 15 'of the stratified injection 11 being shown lying here by way of example in the ignition point 12.
  • the injection end 15 ' is suitably in a range of 0 ° to 10 ° of the crank angle ⁇ before the ignition 12'.
  • the stratified injection 11 generates a locally enriched in the region of the spark plug 5 fuel / air mixture, which in the immediate vicinity of time despite the relatively late ignition timing 12 'can be easily and reliably ignited.
  • the only very small fuel quantity of the stratified injection 11 'in comparison to the intake stroke injection 9 and the compression stroke injection 10 serves merely for reliable ignition and otherwise contributes to the rich air ratio ⁇ 2 ⁇ 1.0 in the mixture cloud 14.
  • All injections 9, 10, 11 ' are matched in their respective amount of fuel 2 to one another such that locally in the lean mixture 13 of the intake stroke injection 9 a lean mixture and in the mixture cloud 14 a rich mixture is formed.
  • the global air ratio ⁇ is in a range between 1.0 and 1.05 inclusive.
  • the approximately stoichiometric or slightly lean global air ratio ⁇ allows without further measures a thermal afterburning in lying between the cylinder head 19 and the catalytic converter 1 region of the exhaust passage 18 and in the exhaust catalyst 1 itself, causing it very quickly from the cold state to the so-called light-off Temperature is heated, in which the catalytic converter can develop its catalytic conversion effect.
  • the injection quantities of the Kompressionshubeinspritzung 10 and / or the stratified injection 11 ' are controlled or regulated by means of the control unit 16.
  • the aforementioned control or regulation can also the sequence of multiple injections to form the individual injections 9, 10, 11 'relate.
  • the initially late ignition point 12 and the stratified injection 11 'coupled thereto are moved to an earlier time, in particular before the upper ignition dead center ZOT.
  • the illustrated methods for optimizing the operation of a spark-ignition internal combustion engine may be combined with each other, i. in particular run in parallel in an internal combustion engine.
  • different cylinders or combustion chambers can at the same time be assigned different methods and / or different method steps.
  • the different methods may be assigned to different load or temperature ranges of the internal combustion engine.
  • the second method is to be associated with a respective cold start time, while the first method may be associated with a cold start operation and / or a nominal temperature operation of the internal combustion engine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff (2) mittels eines Injektors (3) in einen Zylinder (4) der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze (5) fremdgezündet wird. Abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine wird ein Kurbelwinkel (αl) bestimmt, bei dem eine erste Einspritzung (9) von Kraftstoff (2) erfolgt, durch die im Zylinder (4) ein Magergemisch (13) erzeugt wird. Nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel (α.2) bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung (10) von Kraftstoff (2) erfolgt, durch die im Zylinder (4) eine im Vergleich zum Magergemisch (13) fettere und im Magergemisch (13) eingebettete Gemischwolke (14) erzeugt wird. Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (12) eine dritte Einspritzung (11, 11') von Kraftstoff (2) in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (5) angefetteten und zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches.

Description

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden, insbesondere nach dem A- Takt-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden, insbesondere nach dem 4-Takt-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine.
In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen werden verbreitet fremdgezündete Brennkraftmaschinen eingesetzt, die auch als Ottomotor bezeichnet werden. Derartige Brennkraftmaschinen werden zunehmend mit einem Injektor versehen, mittels dessen eine Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinder der Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Mit in den Zylinder angesaugter Frischluft entsteht ein Kraftstoff/ Luft-Gemisch, welches zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt mittels einer Zündkerze zur Initiierung einer Verbrennung gezündet wird.
Bei herkömmlichen Betriebsverfahren derartiger Brennkraftmaschinen, werden zwei Hauptbetriebsarten unterschieden. Bei hohen Lasten wird der Motor im sogenannten Homogenbetrieb betrieben, bei dem die gesamte Kraftstoffmasse in den Saugtakt des Motors eingespritzt wird und sich bis zum Zündzeitpunkt gleichmäßig im Brennraum verteilt. Im gesamten Brennraum herrscht das gleiche Kraftstoff/Luft-Verhältnis, das aus Gründen der Abgasreinigung zumindest näherungsweise stöchio- metrisch sein sollte.
Bei niedrigen Lasten können direkteinspritzende Ottomotoren im sogenannten Schichtbetrieb betrieben werden. Beim direkteinspritzenden Ottomotor mit strahlgeführtem Brennverfahren wird die gesamte Kraftstoffmasse unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt eingespritzt, um im Bereich der Zündkerze einen definierten Einspritzstrahl zu erzeugen. Bei höheren Lasten beginnt jedoch die Partikelemission im Schichtbetrieb stark anzusteigen, da das Frischgemisch im Bereich der Zündkerze sehr fett wird, obwohl das Kraftstoff/Luft-Verhältnis ge- mittelt über das gesamte Zylindervolumen immer noch deutlich mager ist. Die sogenannte Rußgrenze, also die Last, bei der die Partikelemission des Motors inakzeptabel hoch wird, begrenzt beim direkteinspritzenden Ottomotor den im Schichtbetrieb möglichen Lastbereich zu hohen Lasten hin.
Da der Motor im Schichtbetrieb mit sehr hohem Luftüberschuß betrieben wird, können sich bei niedrigen Lasten sehr niedrige Abgastemperaturen einstellen. Dies führt bei den üblichen Abgasreinigungsmethoden mit Oxidations- oder 3-Wege- Katalysatoren zu Problemen, da die Katalysatortemperatur unter die auch als Light-Off-Temperatur bezeichnete Grenztemperatur des Katalysators abfallen kann, unterhalb derer der Katalysator seine Wirkung nicht entfalten kann. Der Katalysator ist in diesem Falle nicht mehr in der Lage, Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid aufzuoxidieren . Dies führt dazu, dass Maßnahmen zur Erwärmung des Katalysators beispielsweise durch Umschalten in den Homogenbetrieb getroffen werden müssen. Dies bedeutet aber einen beträchtlichen Mehrverbrauch bzw. den Verlust eines Teiles des Kraftstoff-Einsparpotentials des direkteinspritzenden Ottomotors. Des Weiteren wird zur Einsparung von Kraftstoff und zur Verringerung des Schadstoffausstoßes ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit hohem Luftüberschuß bzw. mit einem hohen Gehalt an Inertgas angestrebt. Letzteres wird beispielsweise durch Abgasrückhaltung bzw. Abgasrückführung in den Zylinderinnenraum erreicht. Hierdurch kann der Motor mit höheren Ladungsmassen bzw. höheren Saugrohrdrücken betrieben werden, was zu einer Reduzierung der Drosselverluste im Homogenbetrieb und damit zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt. Durch einen hohen Inertgasgehalt im Brennraum kann die Brennraumtemperatur gesenkt und damit die Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung reduziert werden. Der Bereich, in dem der Motor mit hohen Inertgasgehalten betrieben werden kann, wird jedoch durch die Laufruhe begrenzt, die im konventionellen Homogenbetrieb mit steigendem Inertgasanteil stark abnimmt.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Betriebsverfahren eines Ottomotors liegt im Kaltstart und der nachfolgenden Kaltlaufphase . Insbesondere bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes werden direkteinspritzende Ottomotoren im Homogenbetrieb betrieben. Da die Brennraumwände nach dem Kaltstart noch sehr kalt sind, lagern sich große Mengen des in den Saugtakt eingespritzten Kraftstoffs an den Brennraumwänden und am Kolbenboden an. Dieser nicht von der Verbrennung erfasste Kraftstoff führt zu großen Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe bzw. Partikelemissionen.
Eine angepasste, betriebspunktabhängige Umschaltung zwischen den vorbekannten Homogen- und Schichteinspritzverfahren führt in der Umschaltphase zu weiteren Wirkungsgradverlusten bzw. zur Erhöhung des Schadstoffausstoßes . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit über einen erweiterten Bereich verringertem Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß anzugeben.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem in Verbindung mit einer guten Laufruhe und niedrigen Emissionswerten eine schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators erreicht wird.
Die Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel bestimmt wird, bei dem eine erste Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Zylinder ein Magergemisch erzeugt wird, dessen örtliches Luftverhältnis größer als 1,0 ist. Nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein weiterer Kurbelwinkel bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Zylinder ein im Vergleich zum Magergemisch fettere und im Magergemisch eingebettete Gemischwolke erzeugt wird, deren örtliches Luftverhältnis kleiner als 1,0 oder gleich 1,0 ist. Anschließend erfolgt bevorzugt zeitnah zu einem Zündzeitpunkt eine dritte Einspritzung von Kraftstoff in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze angefetteten und zündfähigen Kraftstoff/ Luft-Gemisches.
Beim vorgeschlagenen Verfahren entsteht zum Zündzeitpunkt trotz eines insgesamt hohen Luftüberschusses eine fette Ladungswolke an der Zündkerze. Zusätzlich werden durch die Ausbildung eines definierten Einspritzstrahls der dritten Einspritzung zum Zündzeitpunkt optimale Entflammungs- bedingungen gewährleistet. Dies hat eine sichere Entflammung des Frischgemisches zur Folge. Die Laufruhe ist auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen wie hoher Inertgasgehalt, hoher Luftüberschuß im Brennraum oder niedrigen Brennraumtemperaturen (Kaltstart-Betrieb) sehr gut. Es ist die Möglichkeit eröffnet, durch geschickte Wahl der Einspritzzeitpunkte den Motor mit Kraftstoff/Luft-Verhältnissen im
Bereich zwischen stöchiometrisch (λ = 1) und sehr mager (λ > 4) zu betreiben. Aus dem hohen Luftüberschuß bei magerem Betrieb resultiert ein höherer Saugrohrdruck. Durch den höheren Saugrohrdruck werden einerseits die Drosselverluste reduziert, was zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führt. Dadurch können beim Betrieb des Motors mit hohem Luftüberschuß dieselben Verbrauchswerte wie im Schichtbetrieb erreicht werden. Andererseits ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren durch den hohen Saugrohrdruck beim Betrieb mit großem Luftüberschuß eine schnelle Betriebsartenumschaltung, da bei der Umschaltung vom Schichtbetrieb in die vorgeschlagene Betriebsart nicht erst das Saugrohr entleert werden muss, wie es bei der Umschaltung in den konventionellen Homogenbetrieb erforderlich wäre.
Des Weiteren ist auch die Möglichkeit eröffnet, den Motor mit hohen Inertgasmassen im Brennraum zu betreiben. Durch die gezielte Platzierung des Kraftstoffes im Brennraum kann die Inertgasverträglichkeit des Motors erhöht werden. Durch eine größere Inertgasmenge, die entweder durch geeignete Nockenwellenpositionen oder auch durch externe Abgasrückführung in den Brennraum eingebracht werden kann, kann eine deutliche Reduzierung der Drosselverluste und somit des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.
Das vorgeschlagene Verfahren kann auch dazu genutzt werden, nach dem Kaltstart bei niedrigen Temperaturen eine starke Benetzung der kalten Brennraumwände und des kalten Kolben- bodens zu vermeiden, da die erste Einspritzung des Magergemisches nur geringe Kraftstoffmengen in Kontakt mit den kalten Motorteilen kommen lässt. Durch die Reduzierung der ersten Einspritzmenge schlägt sich weniger Kraftstoff an den kalten Bauteilen nieder. Dies hat eine starke Reduzierung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe zur Folge, da der angelagerte Kraftstoff nicht von der Verbrennung erfasst, sondern unverbrannt in den Auslasskanal ausgeschoben wird.
In vorteilhafter Weiterbildung werden im zumindest näherungsweise gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine die drei vorgenannten Einspritzungen ausgeführt. Eine Betriebsarten- umschaltung ist nicht erforderlich. Vielmehr erfolgt eine Anpassung an die unterschiedlichen Lastverhältnisse allein durch Wahl unterschiedlicher Einspritzzeitpunkte und -mengen.
Bei geringerer Motorlast erfolgt die erste und die zweite Einspritzung bevorzugt jeweils als Schichteinspritzung in einem Kompressionstakt. Vorteilhaft wird die erste Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 70° vor einem oberen Zündtotpunkt und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt durchgeführt. Wegen der geringen Last kann die erste Einspritzmenge vergleichsweise klein gehalten werden. Durch die Einspritzung im Kompressionstakt wird eine homogene Verteilung auf das gesamte Zylindervolumen und damit eine unzulässige, die Brennbarkeit beeinträchtigende Abmagerung vermieden. Die zweite Einspritzung im Kompressionstakt relativ kurz vor dem Zündzeitpunkt gewährleistet, dass der Kraftstoff zentral im Bereich der Zündkerze zusammengehalten wird. Die dritte Einspritzung als Schichteinspritzung in unmittelbarer Nähe zum Zündzeitpunkt gewährleistet eine sichere Entflammbarkeit, die sich von dort über die fettere Gemischwolke auf das Magergemisch ausbreitet. Bei mittlerer und/oder hoher Motorlast wird vorteilhaft die erste Einspritzung als Homogeneinspritzung in einen Ansaugtakt, und die zweite Einspritzung als Schichteinspritzung in den Kompressionstakt ausgeführt. Bei mittleren Lasten haben sich Einspritzzeitpunkte als vorteilhaft herausgestellt, bei denen die erste Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 60° vor dem oberen Zündtotpunkt beginnt. Bei höheren Lasten bzw. bei Volllast beginnt die erste Einspritzung zweckmäßig bei einem Kurbelwinkel von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 180° vor dem oberen Zündtotpunkt. Abhängig von der an der Brennkraftmaschine anliegenden Last können die vorgenannten Einspritzzeiten beliebig und kontinuierlich ineinander übergeführt werden.
Bei mittleren und insbesondere bei hohen Lasten muss im Gegensatz zum Betrieb bei niedrigen Lasten gewährleistet sein, dass der durch die erste und die zweite Einspritzung in den Brennraum eingebrachte Kraftstoff ausreichend gut mit der Frischluft vermischt ist, um eine übermäßig fette Verbrennung und somit eine hohe Partikel- und Kohlenmonoxidemission zu vermeiden. Durch die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge in den Ansaugtakt kann hier eine für die höheren Lasten erforderliche größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden, ohne eine lokale Überfettung zu erzeugen. Die für die vorgesehene Gesamtmenge erforderliche Restmenge an Kraftstoff wird in der zweiten und der dritten Einspritzung zugefügt. Auch die hier entstehende Gemischwolke weist zwar ein hohes, jedoch nicht übermäßig fettes Kraftstoff/Luft-Verhältnis auf, was eine sichere Entflammung ohne übermäßige Partikelemission ermöglicht. Die dritte, eine sichere Zündung auch bei extremen Betriebsbedingungen sicherstellende Einspritzung, erfolgt annähernd genauso wie bei niederen Lasten. Durch den höheren Brennraumdruck bei höheren Lasten muss die Einspritzmenge eventuell leicht vergrößert werden, da zur Strahlausbildung bei höheren Brennraumdrücken größere Kraftstoffmengen notwendig sein können.
Das Luftverhältnis des Magergemisches ist vorteilhaft derart gewählt, dass ein brennfähiges, aber nicht zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht. Dies trägt zur Verbrauchs- und Schadstoffreduzierung bei. Trotz der mittels der Zündkerze nicht erreichbaren Zündfähigkeit wird eine sichere Entflammung durch die eingebettete fettere Gemischwolke und damit ein sauberer Motorlauf auch bei extremen Betriebsbedingungen wie hohem Luftüberschuß oder hohem Inertgasgehalt sichergestellt .
Das Luftverhältnis der fetteren Gemischwolke ist bevorzugt derart gewählt, dass ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht, ohne jedoch eine übermäßige Partikelemission zu erzeugen. Nach erfolgter Zündung der Gemischwolke breitet sich die Flammfront von hier aus auf das Magergemisch aus und verbrennt dieses mit.
In bevorzugter Ausführung sind die Einspritzmengen aller drei Einspritzungen derart aufeinander abgestimmt, dass das über das Zylindervolumen gemittelte entstehende globale Luftverhältnis in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis einschließlich etwa 4,0 oder sogar noch darüber liegt. Alternativ oder in Kombination dazu kann es zweckmäßig sein, zu Beginn der Verbrennung beispielsweise durch Abgasrückführung oder -rückhaltung einen entsprechend hohen Inertgasanteil vorzusehen. Niedriger Kraftstoffverbrauch und niedrige Emissionswerte sind über einen weiten Betriebsbereich erreichbar.
In vorteilhafter Weiterbildung ist zumindest eine der vorgenannten drei Einspritzungen als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt. Bei einem entsprechenden, beispielsweise in Piezobauweise ausgeführten Injektor können eine oder mehrere der vorgenannten drei Einspritzungen in kurze, nur wenige Millisekunden lange Teileinspritzungen aufgeteilt werden. Dies erlaubt eine präzise Anpassung der Ladungsschichtung an den jeweiligen Lastfall. Bei einer Ausführung der dritten Einspritzung als Mehrfacheinspritzung besteht die Möglichkeit, den Zündzeitpunkt zwischen zwei kurze Einzeleinspritzungen zu legen und damit die Zündwilligkeit und Flammausbreitung zu beeinflussen .
Im Unterschied zu den ersten beiden Einspritzungen, deren Zeitpunkt in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel gewählt wird, wird der Zeitpunkt der dritten Einspritzung vorteilhaft an den Zündzeitpunkt angepasst bzw. an ihn gekoppelt. Mit der vorrangig drehzahlabhängig gewählten Einstellung des Zündzeitpunktes und dem daran gekoppelten Zeitpunkt der Einspritzung ist sichergestellt, dass bei unterschiedlichen Zündzeitpunkten immer der Einspritzstrahl der dritten Einspritzung vom Zündfunken erfasst wird. Bei verschiedenen Drehzahlen und Zündzeitpunkten wird eine sichere Zündung sichergestellt, die sich auf die Kraftstoffmengen der zweiten und ersten Einspritzung überträgt.
Ein Einspritzende der dritten Einspritzung liegt bevorzugt im Bereich des Zündzeitpunktes und insbesondere zwischen einschließlich 0° und einschließlich 10° Kurbelwinkel vor dem Zündzeitpunkt. Dieser Bereich hat sich für eine sichere Zündung und anschließende Verbrennung als vorteilhaft herausgestellt .
Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Einsparung von Kraftstoff durch den Betrieb des direkteinspritzenden Ottomotors mit hohem Luftüberschuß oder hohen Inertgasgehalten durch Reduzierung der Drosselverluste er- reicht werden. Es ergibt sich eine Erweiterung des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine, in dem der direkteinspritzende Ottomotor bei akzeptablen Schadstoffemissionen mit Luftüberschuß betrieben werden kann. Im Gegensatz zum konventionellen Schichtbetrieb beim direkteinspritzenden Ottomotor ist eine freie Wählbarkeit des Zündzeitpunktes und der Androsselung zur Vermeidung eines Katalysator-Auskühlens aufgrund zu niedriger Abgastemperaturen gegeben. Nach einem Kaltstart bei extrem niedrigen Temperaturen ist ein sicherer Betrieb bei reduzierter Partikel-, Kohlenstoffmonoxid- und Kohlenwasserstoffemission möglich. Der stark entdrosselte Betrieb erlaubt eine schnellere Betriebsartenumschaltung. Das Inertgas im Brennraum führt zu einer deutlichen Reduzierung der Stickoxidemissionen infolge der Reduzierung der Verbrennungstemperatur. Allenfalls entsteht nur sehr lokal an der Zündkerze eine heiße Verbrennung. Hierdurch sind auch Verbrauchsvorteile infolge weniger notwendiger Regenerationen des NOX-Speicherkatalysators erzielbar. Auch ist eine Verbesserung der Laufruhe im Betrieb mit Luftüberschuß durch verringerte Gradienten des Brennraumdrucks infolge einer im Vergleich zum konventionellen Schichtbetrieb langsameren Verbrennung erzielbar.
Die entstehenden Abgase können allerdings Schadstoffe enthalten, die ohne nachbehandelnde Maßnahmen einschlägige Vorschriften nicht erfüllen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wird das im Zylinder befindliche Kraftstoff/ Luft-Gemisch nicht vollständig verbrannt. Das entstehende Abgas enthält Anteile von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden, für deren Konversion in umweltverträglichere Stoffe ein Abgaskatalysator in der Abgasanlage nachgeschaltet ist. Die Wirksamkeit des Abgaskatalysators hängt von dessen Betriebstemperatur ab und setzt erst oberhalb einer Grenztemperatur, der sogenannten Light-Off-Temperatur ein. Beim Kaltstart und im nachfolgenden Kaltlauf-Betrieb ist im kalten Zylinder bzw. Brennraum der Brennkraftmaschine eine nur schlechte Gemischaufbereitung erzielbar. Der ebenfalls noch kalte bzw. nicht hinreichend erwärmte Abgaskatalysator kann die entstehenden hohen Kohlenwasserstoff- und Kohlen- monoxidemissionen nicht oder nur unzureichend konvertieren.
Beim Kaltstart und im nachfolgenden Kaltlauf-Betrieb wird einerseits ein ruhiger Motorlauf trotz der kalten Motor- komponenten und andererseits eine schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators angestrebt. In herkömmlichen Betriebsverfahren wird hierzu der Motor nach dem Kaltstart mit fettem Ladungsgemisch betrieben, um eine ausreichende Entflammungssicherheit und somit eine akzeptable Laufruhe zu gewährleisten. Es wird ein später Zündzeitpunkt angestrebt, dessen späte Lage jedoch durch die Entflammbarkeit und damit den ruhigen Motorlauf begrenzt ist. Das fette Gemisch führt zu hohen Anteilen an unverbranntem Kraftstoff im Abgas, welches zur Aufheizung des noch kalten Abgaskatalysators genutzt werden kann. In Verbindung mit einer Sekundärlufteinblasung kann eine thermische Nachverbrennung erfolgen, deren Reaktionswärme den Abgaskatalysator aufheizt. Nachteilig sind hier der notwendige Einsatz einer elektrisch betriebenen Sekundärluftpumpe oder eines Sekundärluftladers sowie mehrerer elektrischer und pneumatischer Schaltventile. Die Funktion dieser Bauteile muss aufwendig diagnostiziert werden. Emissionswerte und Laufruhe sind nicht befriedigend.
Die Aufgaben werden ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst in einem Ansaugtakt der Brennkraftmaschine eine erste Einspritzung von Kraftstoff als Saughubeinspritzung erfolgt. Hier wird im Zylinder ein mageres, brennfähiges, aber nicht zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt. Das das gesamte Zylindervolumen ausfüllende magere Kraftstoff/Luft-Gemisch stellt ein ausreichendes Angebot an Sauerstoffmolekülen für die Nachoxidation zur Verfügung. Durch die geringe Einspritzmenge in die während des Ansaugtaktes kalte Frischladung wird die Anlagerung von Kraftstoff an die kalten Brennraumwände und den kalten Kolbenboden stark verringert. Die aus solchen angelagerten und unverbrannten Kraftstoffmengen resultierenden Kohlenwasserstoffemissionen werden verringert.
In einem an den Ansaugtakt anschließenden Kompressionstakt wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff als Kompressionshubeinspritzung durchgeführt, bei der im Zylinder ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird. Dies gewährleistet eine schnelle und sichere Verbrennung. Durch die im Kompressionstakt deutlich höheren Zylindertemperaturen wird der in den Kompressionstakt eingespritzte Kraftstoff deutlich besser aufbereitet. Dies führt trotz des fetten Gemisches dazu, dass kaum Kraftstoff an den Brennraumwänden und dem Kolbenboden angelagert wird. Durch die fette Verbrennung wird der Nachreaktion im Auslasskanal eine große Menge Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff zur Verfügung gestellt, die zur Aufheizung des Abgaskatalysators große Mengen chemischer Energie enthalten.
Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt eine dritte Einspritzung von Kraftstoff in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze angefetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches . Die hier vergleichsweise geringe Einspritzmenge in Form eines definierten Einspritzstrahls garantiert die sichere Entflammung an den Randbereichen des Strahles. Von dort aus breitet sich die Flammenfront rasch in die fette Ladungsschicht im Bereich um die Zündkerze herum aus, die von der Kompressionshubeinspritzung erzeugt wurde. Da die Verbrennungsgeschwindigkeit mit sinkendem Luftverhältnis steigt, ist die schnelle Verbrennung des fetten Gemisches der aus der zweiten und dritten Einspritzung gebildeten geschichteten Ladung bis zum Öffnen des Auslassventils abgeschlossen. Die Flammenfront der Verbrennung setzt sich im weiteren Verlauf des Arbeitstaktes in diejenigen Bereiche des Brennraums fort, in denen das magere Gemisch der Saughubeinspritzung vorliegt. Die Brenngeschwindigkeit reduziert sich wegen des hier vorliegenden hohen Luftverhältnisses deutlich und ist deshalb beim Öffnen des Auslassventils noch nicht abgeschlossen. Dadurch werden im Auslasskanal und vor dem nachgeschalteten Abgaskatalysator sehr hohe Abgastemperaturen erreicht.
Durch die Verbrennung des fetten Gemisches der Schichteinspritzungen entsteht eine große Menge Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die in der Ausschiebephase zusammen mit teilweise noch unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus den Magerbereichen durch den vorherrschenden Sauerstoffüberschuss nachoxidiert werden.
Das im Bereich der Zündkerze vorherrschende geringe Luftverhältnis erlaubt ohne Beeinträchtigung der Zündwilligkeit eine vergleichsweise späte Lage des Zündzeitpunktes. Hierdurch kann eine hohe Abgastemperatur erzeugt werden, da der späte Zündzeitpunkt eine späte Schwerpunktlage der Verbrennung sowie ein spätes Brennende zur Folge hat. Diese Randbedingungen begünstigen in Verbindung mit den hohen Abgastemperaturen und dem leichten Sauerstoffüberschuss eine Nachoxidation von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff im Abgassystem, die als thermische Nachverbrennung sowohl im Auslasskanal und Abgaskrümmer, als auch im nachgeschalteten Abgaskatalysator stattfindet. Die dabei frei werdende Reaktionswärme bewirkt einen weiteren Anstieg der Abgastemperatur. Die hohe Abgastemperatur sowie die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff im Katalysator selbst sorgen für ein beschleunigtes Aufheizen des Abgaskatalysators, der dadurch schon nach wenigen Sekunden seine Light-Off-Temperatur erreicht.
Die Saughubeinspritzung wird bevorzugt derart ausgeführt, dass sich im Zylinder ein zumindest näherungsweise homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch einstellt. Unvermeidliche Kondensationsmengen von Kraftstoff an kalten Motorteilen werden verringert, während eine gleichmäßige Ausbreitung der Flammfront in der nachfolgenden Verbrennung sichergestellt ist. Hierbei hat sich ein bevorzugtes Luftverhältnis von etwa 1,6 als zweckmäßig herausgestellt.
Die Kompressionshubeinspritzung wird bevorzugt derart ausgeführt, dass sich innerhalb der homogenen Frischladung eine im Vergleich dazu fettere Gemischwolke ausbildet, die in das magere homogene Kraftstoff/Luft-Gemisch eingebettet ist. Die fettere Gemischwolke weist bevorzugt ein Luftverhältnis von kleiner als oder gleich 1,0 auf, wodurch eine hohe Zündwilligkeit und eine lokal begrenzte schnelle Verbrennung sichergestellt ist.
Vorteilhaft liegt das über das Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen entstehende globale Luftverhältnis in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis größer als 1,0 und beträgt insbesondere zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05. Zur Aufheizung des nachgeschalteten Abgaskatalysators und die dafür vorgesehene thermische Nachverbrennung im Abgasstrang ist hinreichend Sauerstoff vorhanden, wodurch eine zusätzliche Luftzufuhr mittels Sekundärluftpumpe oder Sekundärluftlader nicht mehr erforderlich ist. Der Bau-, Steuer- bzw. Regelaufwand ist vermindert. In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Saughubeinspritzung und/oder die Kompressionshubeinspritzung und/oder die Schichteinspritzung als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt. Mittels geeigneter Injektoren beispielsweise in Piezobauweise werden die bei den vorgenannten drei Einspritzungen jeweils einzuspritzenden Kraftstoffmengen in Teilmengen aufgeteilt, die für sich genommen innerhalb weniger Millisekunden in den Zylinder eingebracht werden. Die Homogenisierung der Saughubeinspritzung, die Form und die Schichtung der durch die Kompressionshubeinspritzung erzeugten Gemischwolke und die Zündungsbedingungen an der Zündkerze bei der Schichteinspritzung können definiert angepasst werden.
Der Zeitpunkt der Saughubeinspritzung und der Kompressionshubeinspritzung ist vorteilhaft an den Kurbelwinkel der Kurbelwelle und damit zeitlich an den jeweiligen Stand des Verfahrenstaktes gekoppelt, wobei sich die Saughubeinspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 260° vor dem oberen Zündtotpunkt, und die Kompressionshubeinspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt als zweckmäßig herausgestellt hat.
Die Schichteinspritzung wird demgegenüber bevorzugt an den Zündzeitpunkt angepasst. Bei unterschiedlichen Last- und insbesondere Drehzahlverhältnissen wird der Zündzeitpunkt verändert und mit ihm auch der Zeitpunkt der Schichteinspritzung. Es wird sichergestellt, dass auch bei unterschiedlichen Zündzeitpunkten die darauf abgestimmte Schichteinspritzung eine zuverlässige Entflammung der Zylinderfüllung sicherstellt.
Zur Erzeugung der oben beschriebenen Randbedingungen einer schnellen Katalysatoraufheizung liegt der Zündzeitpunkt zweckmäßig nach dem oberen Zündtotpunkt und insbesondere in einem Kurbelwinkelbereich von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zündtotpunkt. Das Einspritzende der Schichteinspritzung liegt zweckmäßig im Bereich des Zündzeitpunktes und bevorzugt zwischen einschließlich 0° und 10° Kurbelwinkel vor dem Zündzeitpunkt. Bei zuverlässiger Entflammung ist eine schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators erreichbar.
In bevorzugter Weiterbildung werden mittels eines Steuergerätes abhängig von der erreichten Betriebstemperatur des Abgaskatalysators die Einspritzmengen der Kompressionshubeinspritzung und/oder der Schichteinspritzung gesteuert bzw. geregelt. Ebenso kann eine Steuerung bzw. Regelung der jeweiligen Zeitpunkte zweckmäßig sein. Mit steigender Temperatur des Abgaskatalysators und dessen einsetzender Wirkung können die Abgaswerte minimiert und der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen :
Fig. 1 eine Schemadarstellung einer ersten Brennkraftmaschine im Bereich eines angedeuteten Zylinders mit einem Injektor, einer Zündkerze und einem Steuergerät, wobei der Zylinder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Teillast in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/ Luft-Gemisch gefüllt ist;
Fig. 2 eine Diagrammdarstellung der in erfindungsgemäßer Weise bei verschiedenen Kurbelwinkeln in der Anordnung nach Fig. 1 bei Teillast vorgesehenen Einspritzungen; Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 1 im niedrigen Lastbereich mit jeweils als Schichteinspritzung eingeführten KraftStoffmengen;
Fig. 4 die Diagrammdarstellung entsprechend Fig. 2 mit der Darstellung der einzelnen Einspritzungen in der Brennkraftmaschine nach Fig. 3 bei geringer Last;
Fig. 5 die Anordnung nach den Fig. 1 und 3 bei Volllast mit einer mageren Homogenladung und einer darin eingebetteten fetteren Gemischwolke;
Fig. 6 eine Diagrammdarstellung der bei verschiedenen
Kurbelwinkeln vorgenommenen Einspritzungen in der Brennkraftmaschine nach Fig. 5 bei Volllast;
Fig. 7 eine Schemadarstellung einer zweiten Brennkraftmaschine im Bereich eines angedeuteten Zylinders mit einem Injektor, einer Zündkerze, einem Steuergerät und einem Abgaskatalysator, wobei der Zylinder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/ Luft-Gemisch gefüllt ist,
Fig. 8 eine Diagrammdarstellung der in erfindungsgemäßer Weise bei verschiedenen Kurbelwinkeln vorgesehenen Einspritzungen bei der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 7.
Die Fig. 1, 3 und 5 zeigen in einer schematischen Darstellung ausschnittsweise eine erste fremdgezündete, direkteinspritzende 4-Takt-Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders 4 in verschiedenen Betriebszuständen . Das erste erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel des hier gezeigten Zylinders 4 gezeigt. Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder 4 mit je einem darin zyklisch auf und ab bewegten Kolben 17 aufweisen. Der Zylinder 4 ist in seiner Längsrichtung auf der dem Kolben 17 gegenüberliegenden Seite durch einen Zylinderkopf 19 verschlossen, wobei dessen Innenraum in Gegenrichtung durch den Kolben 17 begrenzt ist. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolben 17 und daran gekoppelte Steuerzeiten von nicht dargestellten Ein- und Auslassventilen werden insgesamt vier in zyklischer Abfolge aneinander gereihte, im Zusammenhang mit den Fig. 2, 4 und 6 näher beschriebene Verfahrenstakte der Brennkraftmaschine vorgegeben .
Zur Einspritzung von Kraftstoff 2 in den Zylinder 4 ist ein Injektor 3 vorgesehen, der mittels eines schematisch angedeuteten Steuergerätes 16 betätigt wird. Der in den Zylinder
4 eingespritzte Kraftstoff 2 bildet zusammen mit in einem Ansaugtakt 6 (Fig. 2, 4 und 6) angesaugtem Frischluftvolumen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches zu einem geeigneten Zeitpunkt durch eine im Zylinderkopf 19 angeordnete Zündkerze
5 gezündet wird. Entsprechend der schematischen Darstellung nach den Fig. 1, 3 und 5 wird neben der Einspritzung durch den Injektor 3 auch die Zündung durch die Zündkerze 5 mittels des Steuergerätes 16 gesteuert. Die Zündung bewirkt eine Entflammung und Verbrennung des im Zylinder 4 befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches . Das daraus entstehende Abgas wird mittels eines oder mehrerer nicht dargestellter Auslassventile durch einen Abgaskanal 18 aus dem Zylinder 4 herausgeleitet und zur Nachbehandlung durch einen Abgaskatalysator 1 hindurchgeführt. Der Abgaskatalysator 1 kann von beliebiger geeigneter Bauweise sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Drei-Wege-Stirnwandkatalysator . Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der hier gezeigten fremdgezündeten Brennkraftmaschine werden insgesamt drei Einspritzungen 9, 10, 11 von Kraftstoff 2 mittels des Injektors 3 vorgenommen, die im Zusammenhang mit den Fig. 2, 4 und 6 näher beschrieben sind. Die Fig. 2, 4 und 6 zeigen hierzu jeweils eine Diagrammdarstellung von verschiedenen Einzelabläufen des erfindungsgemäßen Verfahrens bei verschiedenen Lastzuständen abhängig von einem Kurbelwinkel α einer nicht dargestellten Kurbelwelle, die die axiale Position des Kolbens 17 im Zylinder 4 (Fig. 1, 3 und 5) vorgibt. Ein Kurbelwinkel α von 0° gibt einen oberen Zündtotpunkt ZOT vor, in dem der Zylinderinnenraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthält, in dem die nicht dargestellten Ein- und Auslassventile geschlossen sind, und in dem der in Fig. 1 dargestellte Kolben 17 in seiner dem Zylinderkopf 19 nächstkommenden Axialposition, das im Zylinder 4 befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimiert hat. Im Bereich des oberen Zündtotpunktes ZOT wird eine Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels der Zündkerze 5 (Fig. 1, 3 und 5) vorgenommen.
Ein erster Takt des 4-Takt-Verfahrens ist ein Saugtakt 6, der sich über einen Kurbelwinkelbereich α von 360° bis 180° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT erstreckt. Daran schließt sich ein Kompressionstakt 7 an, der über einen Kurbelwinkelbereich α von 180° bis 0° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT verläuft. Nachfolgend verläuft ein Arbeitstakt 8 vom oberen Zündtotpunkt ZOT mit einem Kurbelwinkel α von 0° bis 180°, an den sich ein Auslasstakt 22 von 180° bis 360° Kurbelwinkel α nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT anschließt. Das Ende des Auslasstaktes 22 bei einem Kurbelwinkel α von 360° nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT entspricht dem Beginn eines nachfolgenden Ansaugtaktes 6 bei einem Kurbelwinkel α von 360° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Die nicht dargestellten Einlassventile führen einen Ventilhub h entsprechend einer Kurve 20 aus, die sich größtenteils über den Ansaugtakt 6 erstreckt und noch teilweise in den Kompressionstakt 7 hineinreicht. Bei einem Ventilhub h größer 0 der Einlassventile wird Frischluft, gegebenenfalls durch einen Lader unterstützt, ins Innere des Zylinders 4 (Fig. 1, 3 und 5) angesaugt. Entsprechendes gilt für die Ausleitung von Abgasen aus dem Zylinder 4, wobei ein Ventilhub h der nicht dargestellten Auslassventile durch eine Kurve 21 dargestellt ist. Demnach sind die Auslassventile im Wesentlichen über den Auslasstakt 22 geöffnet, wobei die Öffnung der Auslassventile bereits schon gegen Ende des Arbeitstaktes 8 beginnt. Bei geöffneten Auslassventilen wird das entstehende Abgas durch den in Fig. 1 angedeuteten Abgaskanal 18 und den nachgeordneten Abgaskatalysator 1 geleitet .
Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es zweckmäßig sein, eine Füllung des Zylinders 4 mit einer erhöhten Menge an Inertgas zu versehen. Hierzu ist eine schematisch angedeutete Abgasrückführung 24 vorgesehen, die unter Einwirkung des Steuergerätes 16 eine vorgegebene Menge von Abgas in den Zylinder 4 rückführt. Ein erhöhter Gehalt von Inert- bzw. Abgas kann auch durch entsprechend eingestellte, ggf. gesteuerte bzw. geregelte Ventilsteuerzeiten herbeigeführt werden .
Aus der Zusammenschau der Figuren 1 bis 6 ergibt sich ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel αl bestimmt, bei dem eine erste Einspritzung 9 von Kraftstoff 2 erfolgt, durch die im Zylinder 4 ein Magergemisch 13 erzeugt wird. Das örtliche Luftverhältnis λl des Magergemisches 13 ist größer 0 und bevorzugt derart gewählt, dass ein brennfähiges, aber nicht zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht. Nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel α2 bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung 10 von Kraftstoff 2 erfolgt, durch die im Zylinder 4 eine im Vergleich zum Magergemisch 13 fettere und im Magergemisch 13 eingebettete Gemischwolke 14 erzeugt wird. Innerhalb der Gemischwolke 14 herrscht ein örtliches
Luftverhältnis λ2, welches kleiner als oder gleich 1,0 ist. Das Luftverhältnis λ2 der Gemischwolke 14 ist derart gewählt, dass ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Gemischwolke 14 entsteht. Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt 12 eine dritte Einspritzung 11 von Kraftstoff 2 in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze 5 angefetteten und zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches .
Zur näheren Erläuterung der bevorzugten Ausbildungen der vorgenannten Verfahrensschritte sind in den Fig. 1 und 2 die Verfahrensbedingungen bei Teillast, in den Fig. 3 und 4 bei niedriger Last und in den Fig. 5 und 6 bei hoher Last bzw. bei Volllast gezeigt. Demnach werden zumindest näherungsweise im gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine die drei Einspritzungen 9, 10, 11 ausgeführt. Es kann aber auch zweckmäßig sein, das erfindungsgemäße Verfahren nur in einzelnen Lastbereichen auszuführen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Verfahrensbedingungen in gewöhnlicher, mittlerer Betriebslast. Die erste Einspritzung 9 wird als Homogeneinspritzung im Ansaugtakt 6 ausgeführt, wobei im nachfolgenden, in Fig. 1 gezeigten Kompressionstakt 7 der gesamte Innenraum des Zylinders 4 zumindest näherungsweise homogen mit dem Magergemisch 13 gefüllt ist. Die erste Einspritzung 9 beginnt bei einem Kurbelwinkel αl von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT und erstreckt sich über einen Zeitraum bzw. über einen Kurbelwinkel α, die für die Einbringung der erforderlichen Kraftstoffmenge zur Erzielung des vorgegebenen Luftverhältnisses λl erforderlich ist. Der Darstellung nach Fig. 2 ist zu entnehmen, dass der Kurbelwinkelbereich der ersten Einspritzung 9 größer als der der nachfolgenden Einspritzungen 10, 11 ist, demnach in der ersten Einspritzung 9 der größere Teil der Gesamtkraftstoffmenge eingespritzt wird.
Die zweite Einspritzung 10 erfolgt als Schichteinspritzung im Kompressionstakt 7 und beginnt bei einem Kurbelwinkel α2 von etwa 70° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Die Einspritzdauer und damit die Einspritzmenge ist geringer als die der ersten Einspritzung 9, jedoch größer als die der dritten Einspritzung 11. Es entsteht dadurch die in das Magergemisch 13 eingebettete Gemischwolke 14.
Im Unterschied zu den ersten beiden Einspritzungen 9, 10 ist der Zeitpunkt der dritten Einspritzung 11 nicht an den Kurbelwinkel α, sondern an den mit der Drehzahl variierenden Zündzeitpunkt 12 gekoppelt. Der Zündzeitpunkt 12 ist hier beispielhaft bei einem Kurbelwinkel αZ von etwa 15° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT gezeigt, kann jedoch insbesondere drehzahlabhängig zusammen mit der dritten Einspritzung 11 eine andere Lage einnehmen. Insbesondere kann es auch zweckmäßig sein, im Kaltlaufbetrieb zur Aufheizung des Abgaskatalysators 1 den Zündzeitpunkt 12 und die dritte Einspritzung 11 nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT in den Arbeitstakt 8 zu verlegen.
Die dritte Einspritzung 11 ist in ihrer Strahlform derart ausgebildet, dass sie in die Gemischwolke 14 eingeleitet und dabei unmittelbar am Funkenbereich der Zündkerze 5 vorbei- geführt wird. Durch die unmittelbare zeitliche Nähe der dritten Einspritzung 11 zum Zündzeitpunkt 12 erfolgt in Verbindung mit dem lokal an der Zündkerze 5 angefetteten Gemisch eine sichere Zündung, die sich auf die Gemischwolke 14 und auf das Magergemisch 13 überträgt.
Im Unterschied zu den Teillastbedingungen nach den Fig. 1 und 2 werden bei niedrigen Motorlasten entsprechend der Darstellung nach den Fig. 3 und 4 alle drei Einspritzungen 9, 10, 11 im Ansaugtakt 7 als Schichteinspritzung ausgeführt. Hier sind nur geringe Gesamtkraftstoffmengen erforderlich, die sich aus den in Fig. 4 dargestellten Bereichen von Kurbelwinkeln α der Einspritzungen 9, 10, 11 im Vergleich zu denen der Darstellung nach Fig. 2 bei Teillast ergeben. Die erste Einspritzung 9 wird bei einem Kurbelwinkel αl von etwa 60° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel α.2 von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT durchgeführt. Die Verhältnisse bei der dritten Einspritzung 11 und dem Zündzeitpunkt 12 entsprechen etwa denen der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläuterten Bedingungen der Teillast.
Der zeichnerischen Darstellung nach Fig. 3 ist zu entnehmen, dass durch die Ausführung der ersten Einspritzung 9 als Schichteinspritzung im Kompressionstakt 7 das Magergemisch 13 nicht das gesamte Zylindervolumen ausfüllt. Hierdurch wird vermieden, dass die für den niedrigen Lastbereich geringe Kraftstoffmenge durch zu große volumetrische Verteilung nicht mehr brennbar ist. Vielmehr bildet das Magergemisch 13 eine lokal begrenzte Wolke, die war mittels der Zündkerze 5 nicht zündfähig, wohl aber brennbar ist. In diese Wolke des Magergemisches 13 ist die fettere Gemischwolke 14 eingebettet. Zündung und Flammausbreitung durch die fette Gemischwolke 14 und das Magergemisch 13 entsprechen im Übrigen dem Teillastbetrieb nach den Fig. 1 und 2.
Die Fig. 5 und 6 zeigen noch die Verhältnisse bei Volllast. Die geschichtete Zylinderfüllung nach Fig. 5 entspricht im Wesentlichen der Zylinderfüllung bei Teillast nach Fig. 1. Aus Fig. 6 ergibt sich jedoch, dass die erste Einspritzung 9 als Homogeneinspritzung im Ansaugtakt 6 bei einem Kurbelwinkel αl von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT beginnt und zur Bereitstellung einer höheren Kraftstoffmenge im Vergleich zur Darstellung nach Fig. 2 über einen breiteren
Kurbelwinkelbereich α verläuft. Die nachgeschaltete zweite Einspritzung 10 beginnt bei einem Kurbelwinkel α2 von etwa 180° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT und erstreckt sich ebenfalls über einen breiteren Kurbelwinkelbereich α. Die Kraftstoffmenge der ersten Einspritzung 9 ist derart gewählt, dass das Magergemisch 13 als homogenes Hintergrundgemisch noch brennbar ist, gleichzeitig aber auch zur Einstellung der erforderlichen Gesamtkraftstoffmenge noch ausreichend Restmenge für die beiden folgenden Einspritzungen 10, 11 belässt. Die zweite Einspritzung 10 ist derart gewählt, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge einerseits in unmittelbarer Umgebung der Zündkerze verbleibt, andererseits sich aber so weit verteilt, dass das in diesem Bereich entstehende Kraftstoff/Luft-Verhältnis annähernd stöchiometrisch ist. Je größer also die als zweite Einspritzung 10 in den Brennraum eingebrachte Kraftstoffmasse ist, desto früher muss ihre Einspritzung erfolgen, um ihr ausreichend Zeit zur Gemischaufbereitung und Verteilung im Brennraum zur Verfügung zu stellen.
Die dritte Einspritzung 11 entspricht in ihrer Ausgestaltung der dritten Einspritzung 11 nach den Fig. 1 bis 4 bei Teillast bzw. bei geringer Last. Im Unterschied hierzu kann es lediglich erforderlich sein, zur Berücksichtigung des höheren Brennraumdruckes bei höheren Lasten die Menge der. dritten Einspritzung 11 eventuell leicht zu vergrößern, da zur Strahlausbildung bei höheren Brennraumdrücken größere Kraft- stoffmengen notwendig sein können.
Die Darstellungen nach den Fig. 1 bis 6 zeigen beispielhaft drei verschiedene Betriebszustände bei Teillast, geringer Last und Volllast. Mittels des Steuergerätes 16 können Anpassungen an dazwischenliegende Betriebsparameter bzw. Lastbereiche durch insbesondere stufenlose Verschiebung der ersten und der zweiten Einspritzung 9, 10 hinsichtlich Zeitpunkt und Einspritzmenge innerhalb der aufgezeigten Grenzen vorgenommen werden, wodurch eine zielgerichtete Anpassung an die an der Brennkraftmaschine anliegende Last sichergestellt ist.
Insbesondere kann mit dem aufgezeigten Verfahren zweckmäßig die Brennkraftmaschine 1 im Magerbetrieb genutzt werden. Vorteilhaft wird dazu das über das gesamte Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen 9, 10, 11 entstehende globale Luftverhältnis λ in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis einschließlich etwa 4,0 oder größer eingestellt. Alternativ oder in Kombination dazu kann es zweckmäßig sein, mittels der zuvor beschriebenen Abgasrückführung 24 und/oder durch Beeinflussung der Ventilsteuerzeiten zu Beginn der Verbrennung einen erhöhten Inertgasanteil im Zylindervolumen bereitzustellen.
Entsprechend der beispielhaften Darstellung nach den Fig. 2, 4 und 6 verlaufen die drei Einspritzungen 9, 10, 11 kontinuierlich über den angegebenen Kurbelwinkelbereich α. Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, eine, mehrere oder alle Einspritzungen 9, 10, 11 als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung auszuführen, sofern die Bauweise des Injektors 3 dies zulässt. Hierzu kann eine Ausbildung des Injektors 3 als Piezoinjektor zweckmäßig sein. Mittels der Aufteilung in kurze, nur wenige Millisekunden dauernde Einzeleinspritzungen lässt sich die Ladungsverteilung bzw. der Schichtungsaufbau der Zylinderfüllung gezielt beeinflussen.
In allen gezeigten Betriebszuständen ist beispielhaft ein Einspritzende 15 der dritten Einspritzung 11 im Bereich des Zündzeitpunktes 12 liegend dargestellt. Es kann auch zweckmäßig sein, das Einspritzende 15 in einem Kurbelwinkelbereich α von 0° bis etwa 10° vor den Zündzeitpunkt 12 zu legen. In Verbindung mit einer Ausführung der dritten Einspritzung 11 als Mehrfacheinspritzung kann es auch vorteilhaft sein, je eine Teileinspritzung vor und nach dem Zündzeitpunkt 12 vorzunehmen, um die Zündung und den nachfolgenden Brennverlauf zu beeinflussen.
Fig. 7 zeigt in einer schematischen Darstellung ausschnittsweise eine zweite fremdgezündete, direkteinspritzende 4-Takt- Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders 4. Gleichwirkende Elemente und gleichartige Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie bei der ersten Brennkraftmaschine gemäß den Fig. 1 bis 6. Das erfindungsgemäße zweite Verfahren wird wiederum am Beispiel des hier gezeigten Zylinders 4 gezeigt. Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder 4 mit je einem darin zyklisch auf und ab bewegten Kolben 17 aufweisen. Der Zylinder 4 ist in seiner Längsrichtung auf der dem Kolben 17 gegenüberliegenden Seite durch einen Zylinderkopf 19 verschlossen, wobei dessen Innenraum in Gegenrichtung durch den Kolben 17 begrenzt ist. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolben 17 und daran gekoppelte Steuerzeiten von nicht dargestellten Ein- und Auslassventilen werden insgesamt vier in zyklischer Abfolge aneinander gereihte, im Zusammenhang mit Fig. 8 näher beschriebene Verfahrenstakte der Brennkraftmaschine vorgegeben.
Zur Einspritzung von Kraftstoff 2 in den Zylinder 4 ist ein Injektor 3 vorgesehen, der mittels eines schematisch angedeuteten Steuergerätes 16 betätigt wird. Der in den Zylinder 4 eingespritzte Kraftstoff 2 bildet zusammen mit in einem Ansaugtakt 6 (Fig. 8) angesaugtem Frischluftvolumen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches zu einem geeigneten Zeitpunkt durch eine im Zylinderkopf 19 angeordnete Zündkerze 5 gezündet wird. Entsprechend der schematischen Darstellung nach Fig. 7 wird neben der Einspritzung durch den Injektor 3 auch die Zündung durch die Zündkerze 5 mittels des Steuergerätes 16 gesteuert. Die Zündung bewirkt eine Entflammung und Verbrennung des im Zylinder 4 befindlichen Kraftstoff/ Luft-Gemisches. Das daraus entstehende Abgas wird mittels eines oder mehrerer nicht dargestellter Auslassventile durch einen Abgaskanal 18 aus dem Zylinder 4 herausgeleitet und zur Nachbehandlung durch einen Abgaskatalysator 1 hindurchgeführt. Der Abgaskatalysator 1 kann von beliebiger geeigneter Bauweise sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Drei-Wege-Stirnwandkatalysator .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb der hier gezeigten fremdgezündeten Brennkraftmaschine, welches sich über den Zeitraum vom Kaltstart mit noch nicht auf Betriebstemperatur befindlichem Abgaskatalysator 1, Zylinder 4, Kolben 17 und Zylinderkopf 19 zumindest bis zu denjenigen Zeitpunkt erstreckt, in dem der Abgaskatalysator 1 seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, werden insgesamt drei Einspritzungen von Kraftstoff 2 mittels des Injektors 3 vorgenommen, die im Zusammenhang mit Fig. 8 näher beschrieben sind. Fig. 8 zeigt hierzu eine Diagrammdarstellung von verschiedenen Einzelabläufen des erfindungsgemäßen zweiten Verfahrens abhängig von einem Kurbelwinkel α einer nicht dargestellten Kurbelwelle, die die axiale Position des Kolbens 17 im Zylinder 4 (Fig. 7) vorgibt. Ein Kurbelwinkel α von 0° gibt einen oberen Zündtotpunkt ZOT vor, in dem der Zylinderinnenraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthält, in dem die nicht dargestellten Ein- und Auslassventile geschlossen sind, und in dem der in Fig. 7 dargestellte Kolben 17 in seiner dem Zylinderkopf 19 nächstkommenden Axialposition das im Zylinder 4 befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimiert hat. Im Bereich des oberen Zündtotpunktes ZOT wird eine Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels der Zündkerze 5 (Fig. 7) vorgenommen.
Ein erster Takt des 4-Takt-Verfahrens ist ein Saugtakt 6, der sich über einen Kurbelwinkelbereich α von 360° bis 180° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT erstreckt. Daran schließt sich ein Kompressionstakt 7 an, der über einen Kurbelwinkelbereich α von 180° bis 0° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT verläuft. Nachfolgend verläuft ein Arbeitstakt 8 vom oberen Zündtotpunkt ZOT mit einem Kurbelwinkel α von 0° bis 180°, an den sich ein Auslasstakt 22 von 180° bis 360° Kurbelwinkel α nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT anschließt. Das Ende des Auslasstaktes 22 bei einem Kurbelwinkel α von 360° nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT entspricht dem Beginn eines nachfolgenden Ansaugtaktes 6 bei einem Kurbelwinkel α von 360° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT.
Die nicht dargestellten Einlassventile führen einen Ventilhub h entsprechend einer Kurve 20 aus, die sich größtenteils über den Ansaugtakt 6 erstreckt und noch teilweise in den Kompressionstakt 7 hineinreicht. Bei einem Ventilhub h > 0 der Einlassventile wird Frischluft, gegebenenfalls durch einen Lader unterstützt, ins Innere des Zylinders 4 (Fig. 7) angesaugt. Entsprechendes gilt für die Ausleitung von Abgasen aus dem Zylinder 4, wobei ein Ventilhub h der nicht dargestellten Auslassventile durch eine Kurve 21 dargestellt ist. Demnach sind die Auslassventile im Wesentlichen über den Auslasstakt 22 geöffnet, wobei die Öffnung der Auslassventile bereits schon gegen Ende des Arbeitstaktes 8 beginnt. Bei geöffneten Auslassventilen wird das entstehende Abgas durch den in Fig. 7 angedeuteten Abgaskanal 18 und den nachgeordneten Abgaskatalysator 1 geleitet.
Unter gleichzeitigem Bezug auf die Fig. 7 und 8 ist nach dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, im Ansaugtakt 6 mittels des Injektors 3 eine erste Einspritzung von Kraftstoff 2 als Saughubeinspritzung 9 ins Innere des Zylinders 4 auszuführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei die Saughubeinspritzung 9 derart ausgeführt, dass im Zylinder 4 ein zumindest näherungsweise homogenes Magergemisch 13 mit einem Luftverhältnis λl von etwa 1,6 erzeugt wird. Die Saughubeinspritzung 9 erfolgt bei einem Kurbelwinkel α von etwa 260° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Die Saughubeinspritzung 9 kann dabei eine einzelne, über einen längeren Zeitraum stattfindende Einspritzung sein. Bei einer geeigneten Ausführung des Injektors 3, beispielsweise in Piezobau- weise kann die Saughubeinspritzung 9 auch als Mehrfach- einspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung mit kurzen Einzeleinspritzungen im Zeitbereich von wenigen Millisekunden ausgeführt werden.
In dem sich an den Ansaugtakt 6 anschließenden Kompressionstakt 7 wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff 2 als Kompressionshubeinspritzung 10 durchgeführt. Die Kompressionshubeinspritzung 10 liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel bei einem Kurbelwinkel α von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt und ist als zeitlich verteilte Einfacheinspritzung ausgeführt. Vergleichbar zur Saughubeinspritzung 9 kann auch eine Mehrfacheinspritzung vorgenommen werden. Die Kompressionshubeinrichtung 10 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels des auf den Injektor 3 einwirkenden Steuergerätes 16 derart ausgeführt, dass sich innerhalb des Magergemisches 13 eine im Vergleich zum Magergemisch 13 fettere Gemischwolke 14 ausbildet. Die Gemischwolke 14 ist im Magergemisch 13 der Saughubeinspritzung 9 eingebettet und weist ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem Luftverhältnis λ2 von kleiner 1,0 auf. Die räumlich begrenzte, den Innenraum des Zylinders 4 nicht ausfüllende Gemischwolke 14 reicht bevorzugt nicht bis an kalte Wandungsbauteile der Brennkraftmaschine, wie den Zylinder 4, den Kolben 17 oder den Zylinderkopf 19 heran, erstreckt sich jedoch bis zum Funkenbereich der Zündkerze 5.
Nach der Saughubeinspritzung 9 und der Kompressionshubeinspritzung 10 erfolgt noch eine dritte Einspritzung von Kraftstoff 2 in Form einer Schichteinspritzung 11', die in ihrer Strahlform derart ausgebildet ist, dass sie in die Gemischwolke 14 eingeleitet und dabei unmittelbar am Funkenbereich der Zündkerze 5 vorbeigeführt wird. Auch die Schichteinspritzung 11' kann entsprechend der Saughubeinspritzung 9 oder Kompressionshubeinspritzung 10 als Einfach- oder Mehrfacheinspritzung ausgeführt werden.
Im Unterschied zur Saughubeinspritzung 9 und zur Kompressionshubeinspritzung 10 ist der Zeitpunkt der Schichteinspritzung 11 nicht an den Kurbelwinkel α, sondern an die zeitliche Lage des Zündzeitpunktes 12' gekoppelt. Je nach Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine kann der Zündzeitpunkt 12' im Kompressionstakt 7 vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT oder danach im Arbeitstakt 8 liegen. Zweckmäßig liegt der Zündzeitpunkt 12 nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT und insbesondere in einem Kurbelwinkelbereich α von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Beispielhaft ist hier der Zündzeitpunkt 12' bei einem Kurbelwinkel α von etwa 20° gezeigt. Bei einer Ausführung der Schichteinspritzung 11' als Mehrfacheinspritzung kann es auch zweckmäßig sein, je eine Einzeleinspritzung kurz vor und kurz nach dem Zündzeitpunkt 12' vorzunehmen.
Die Schichteinspritzung 11' liegt zeitnah kurz vor dem Zündzeitpunkt 12', wobei ein Einspritzende 15' der Schichteinspritzung 11 hier beispielhaft im Zündzeitpunkt 12 liegend dargestellt ist. Das Einspritzende 15' liegt zweckmäßig in einem Bereich von 0° bis 10° des Kurbelwinkels α vor dem Zündzeitpunkt 12'. Die späte, nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT liegende Zündung zum Zündzeitpunkt 12' erfolgt bei sinkendem, durch eine Kurve 23' dargestellten Zylinderdruck p.
Die Schichteinspritzung 11 erzeugt ein lokal im Bereich der Zündkerze 5 angefettetes Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches in unmittelbarer zeitlicher Nachbarschaft trotz des relativ spät liegenden Zündzeitpunktes 12' leicht und zuverlässig entzündet werden kann. Die im Vergleich zur Saughubeinspritzung 9 und zur Kompressionshubeinspritzung 10 nur sehr geringe Kraftstoffmenge der Schichteinspritzung 11' dient hier lediglich einer sicheren Zündung und trägt ansonsten zum fetten Luftverhältnis λ2 < 1,0 in der Gemischwolke 14 bei. Alle Einspritzungen 9, 10, 11' sind in ihrer jeweiligen Menge an Kraftstoff 2 derart aufeinander abgestimmt, dass zwar lokal im Magergemisch 13 der Saughubeinspritzung 9 ein Magergemisch und in der Gemischwolke 14 ein fettes Gemisch entsteht. Über das Gesamtvolumen des Zylinderinnenraums gemittelt ist jedoch ein globales Luftverhältnis λ gebildet, welches stöchiome- trisch (λ=l) oder leicht mager (λ<l) ist. Bevorzugt liegt das globale Luftverhältnis λ in einem Bereich zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05. Durch die Schichteinspritzung 11' wird eine zuverlässige Zündung der Gemischwolke 14 auch bei sehr spätem Zündzeitpunkt 12' und bei kalten Bauteilen der Brennkraftmaschine sichergestellt, während das homogene Magergemisch 13 eine übermäßige Anlagerung von Kraftstoff 2 an kalten Motorkomponenten vermeidet. Gleichzeitig ist die gesamte Menge an Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zylinder 4 beim Öffnen der Auslassventile entsprechend der Kurve 21 insbesondere im Bereich des Magergemisches 13 nicht vollständig verbrannt. Unverbrannte Anteile werden durch den Abgaskanal 18 und den Abgaskatalysator 1 geleitet. Das etwa stöchiometrische oder leicht magere globale Luftverhältnis λ erlaubt ohne weitere Maßnahmen eine thermische Nachverbrennung im zwischen dem Zylinderkopf 19 und dem Abgaskatalysator 1 liegenden Bereich des Abgaskanals 18 sowie auch im Abgaskatalysator 1 selbst, wodurch dieser sehr schnell vom kalten Zustand auf die sogenannte Light-Off-Temperatur angeheizt wird, in der der Abgaskatalysator seine katalytische konvertierende Wirkung entfalten kann.
In Anpassung an die während des Kaltlauf-Betriebes ansteigende Temperatur insbesondere im Bereich des Abgaskatalysators 1 werden mittels des Steuergerätes 16 die Einspritzmengen der Kompressionshubeinspritzung 10 und/oder der Schichteinspritzung 11' gesteuert bzw. geregelt. Darüber hinaus erfolgt auch eine Steuerung bzw. Regelung der Zeitpunkte der Kompressionshubeinspritzung 10 und/oder des Zündzeitpunktes 12' sowie der an den Zündzeitpunkt 12 gekoppelten Schichteinspritzung 11' mittels des Steuergerätes 16. Die vorgenannte Steuerung bzw. Regelung kann auch die Abfolge von Mehrfacheinspritzungen zur Bildung der einzelnen Einspritzungen 9, 10, 11' betreffen. Insbesondere ist vorgesehen, die Kompressionshubeinspritzung 10 von einem Kurbelwinkel α von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT kontinuierlich in einen früheren Zeitpunkt bis zu einem Kurbelwinkel α von etwa 210° bis 230° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT zu überführen. Gleichzeitig wird der anfänglich späte Zündzeitpunkt 12 und die daran gekoppelte Schichteinspritzung 11' in einen früheren Zeitpunkt insbesondere vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT verlegt.
Als unterstützende Maßnahme für die thermische Nachverbrennung kann noch eine Sekundärlufteinblasung in den Abgaskanal 18 erfolgen, wodurch die Aufheizung des Abgaskatalysators 1 weiter beschleunigt wird. Ebenso kann es zweckmäßig sein, nach der Schichteinspritzung 11' und dem Zündzeitpunkt 12' eine betriebspunktabhängig entweder an den Zündzeitpunkt 12' oder an den Kurbelwinkel α gekoppelte zusätzliche Einspritzung vorzusehen, mit der zusätzliche chemische Energie in das Abgas und damit zum Abgaskatalysator 1 zur beschleunigten Aufheizung desselben eingebracht wird.
In nahe liegender Weise lassen sich die dargestellten Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine miteinander kombinieren, d.h. insbesondere parallel in einer Brennkraftmaschine ablaufen lassen. Dabei können unterschiedlichen Zylindern bzw. Brennräumen zeitgleich unterschiedliche Verfahren und/oder unterschiedliche Verfahrensschritte zugeordnet sein. Ebenso können die unterschiedlichen Verfahren unterschiedlichen Last- oder Temperaturbereichen der Brennkraftmaschine zugeordnet sein. Insbesondere ist das zweite Verfahren einem jeweiligen Kaltstart-Zeitpunkt zuzuordnen, während das erste Verfahren einem Kaltstart-Betrieb und/oder einem Nenntemperaturbetrieb der Brennkraftmaschine zugeordnet sein kann.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff (2) mittels eines Injektors (3) in einen Zylinder (4) der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze (5) fremdgezündet wird, welches folgende Schritte umfasst:
• abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine wird ein Kurbelwinkel (αl) bestimmt, bei dem eine erste Einspritzung (9) von Kraftstoff (2) erfolgt, durch die im Zylinder (4) ein Magergemisch (13) erzeugt wird, dessen örtliches Luftverhältnis (λl) größer als 1,0 ist;
• nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel (α2) bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung (10) von Kraftstoff (2) erfolgt, durch die im Zylinder (4) eine im Vergleich zum Magergemisch (13) fettere und im Magergemisch (13) eingebettete Gemischwolke (14) erzeugt wird, deren örtliches Luftverhältnis (λ2) kleiner als oder gleich 1,0 ist;
• anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (12) eine dritte Einspritzung (11) von Kraftstoff (2) in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (5) angefetteten und zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zumindest näherungsweise gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine die drei Einspritzungen (9, 10, 11) ausgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei geringer Motorlast die erste und die zweite Einspritzung (9, 10) als Schichteinspritzung in einem Kompressionstakt (7) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einspritzung (9) bei einem Kurbelwinkel (αl) von etwa 60° vor einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) und die zweite Einspritzung (10) bei einem Kurbelwinkel (α2) von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei mittlerer und/oder hoher Motorlast die erste Einspritzung (9) als Homogeneinspritzung in einem Ansaugtakt (6), und die zweite Einspritzung (10) als Schichteinspritzung in dem Kompressionstakt (7) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mittlerer Last die erste Einspritzung (9) bei einem Kurbelwinkel (αl) von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) und die zweite Einspritzung (10) bei einem Kurbelwinkel (α2) von etwa 60° vor dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) beginnt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei hoher Last die erste Einspritzung (9) bei einem
Kurbelwinkel (αl) von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) und die zweite Einspritzung (10) bei einem Kurbelwinkel (α2) von etwa 180° vor dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) beginnt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis (λl) des Magergemisches (13) derart gewählt ist, dass ein brennfähiges, aber nicht zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis (λ2) der Gemischwolke (14) derart gewählt ist, dass ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das über das Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen (9, 10, 11) entstehende globale
Luftverhältnis (λ) in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis einschließlich etwa 4,0 liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindervolumen zu Beginn der Verbrennung einen Inertgasanteil enthält.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Einspritzungen (9, 10, 11) als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Einspritzung zeitlich an den Zündzeitpunkt (12) angepasst wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzende (15) der dritten Einspritzung (11) im Bereich des Zündzeitpunktes (12) liegt.
15. Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer insbesondere fremdgezündeten, direkteinspritzenden, nach dem 4-Takt- Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine mit einem Abgaskatalysator (1), bei der Kraftstoff (2) mittels eines Injektors (3) in einen Zylinder (4) der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze (5) fremdgezündet wird, welches folgende Schritte umfasst:
• in einem Ansaugtakt (6) erfolgt eine erste Einspritzung von Kraftstoff (2) als Saughubeinspritzung (9), bei der im Zylinder (4) ein mageres, brennfähiges, aber nicht zündfähiges Magergemisch (13) erzeugt wird;
• in einem an den Ansaugtakt (6) anschließenden Kompressionstakt (7) wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff (2) als Kompressionshubeinspritzung (10) durchgeführt, bei der im Zylinder ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird; • anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (12') eine dritte Einspritzung von Kraftstoff (2) in Form einer Schichteinspritzung (H') zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (5) angefetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches .
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (9) derart ausgeführt wird, dass im Zylinder (4) ein zumindest näherungsweise homogenes Magergemisch (13) erzeugt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magergemisch (13) ein Luftverhältnis
(λl) von etwa 1,6 aufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshubeinspritzung (10) derart ausgeführt wird, dass sich innerhalb des homogenen Magergemisches (13) eine im Vergleich dazu fettere Gemischwolke (14) ausbildet.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die fettere Gemischwolke (14) ein Luftverhältnis
(λ2) von kleiner 1,0 aufweist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das über das Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen (9, 10, 11') entstehende globale Luftverhältnis (λ) in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis größer 1,0 liegt und insbesondere zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05 beträgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (9) und/oder die Kompressionshubeinspritzung (10) und/oder die Schichteinspritzung (H' ) als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (9) bei einem Kurbelwinkel (α) von etwa 260° vor einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) erfolgt .
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshubeinspritzung (10) bei einem Kurbelwinkel (α) von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) erfolgt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinspritzung (H') zeitlich an den Zündzeitpunkt (12') angepasst wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (12') nach dem oberen
Zündtotpunkt (ZOT) und insbesondere in einem
Kurbelwinkelbereich (α) von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) liegt.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzende (15') der Schichteinspritzung (H') im Zündzeitpunkt (12') liegt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Steuergerätes (16) abhängig von der erreichten Betriebstemperatur des Abgaskatalysators (1) die Einspritzmengen der Kompressionshubeinspritzung (10] und/oder der Schichteinspritzung (H') gesteuert oder geregelt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Steuergerätes (16) abhängig von der erreichten Betriebstemperatur des Abgaskatalysators (1) die Zeitpunkte der Kompressionshubeinspritzung (10) und/oder der Zündung (12') sowie der an den Zündzeitpunkt (12') gekoppelten Schichteinspritzung (H') gesteuert oder geregelt werden.
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