WO2005100768A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine mit kraftstoffdirekteinspritzung - Google Patents

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combustion engine
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a spark-ignited internal combustion engine, in particular for the operation of a spark-ignited internal combustion engine
  • direct injection gasoline engines can be achieved by an internal residual gas retention or an external recirculation of combustion gases, a reduction in fuel consumption. This is due to the so-called de-throttling. This refers to the reduction of the charge exchange work by increasing the intake manifold pressure. Increasing the intake manifold pressure is possible because the total charge increases due to the re-suction of residual gas and therefore a larger amount of air must reach the combustion chamber during the intake stroke. The larger the recirculated residual gas, the higher the total charge in the combustion chamber and thus the required intake manifold pressure. The possible exhaust gas recirculation rate is limited by the deteriorating combustion stability with increasing residual gas content.
  • Another advantage of exhaust gas recirculation or retention is the lowering of the combustion chamber temperature through the Presence of inert gas during combustion.
  • the inert gas is heated during combustion of the hot combustion gas and thereby deprives the combustion gas according to energy.
  • the lower combustion chamber temperature significantly reduces the formation of nitrogen oxides, since the formation of nitrogen oxides depends primarily on the temperature. High temperatures and the presence of oxygen promote nitric oxide formation.
  • Fuel consumption also in this case increases due to the larger intake air mass, which here, however, consists only of fresh air, the amount of charge and thus the intake manifold pressure.
  • the resulting in the combustion moment is given by the injected fuel quantity, reduced by the lower combustion efficiency at lean combustion.
  • nitrogen oxides Due to the excess of oxygen during combustion, the formation of nitrogen oxides is favored. These can not be reduced to nitrogen and oxygen due to the presence of oxygen in the combustion gas from a 3-way catalyst and must be eliminated by a NOx storage or the like consuming exhaust gas purification technologies. For this reason, the formation of nitrogen oxides must already be minimized during combustion, which can be achieved mainly by lowering the combustion chamber temperature. The combustion chamber temperature decreases with increasing excess air; a lean mode of operation must therefore be operated with the highest possible excess air.
  • This object is achieved by a method for operating a spark-ignited internal combustion engine
  • Direct fuel injection at high residual gas rates or very lean charge mixture is fed to a combustion chamber combustion air; into the combustion chamber fuel is injected by means of a fuel injector; and a fuel-air mixture formed in the combustion chamber is ignited by a spark plug at a predetermined ignition timing.
  • the inventive method is characterized in that a pilot injection of a first amount of fuel in an intake stroke of the internal combustion engine is injected into the combustion chamber, with which substantially in the entire combustion chamber, a homogeneous, lean fuel-air mixture ( ⁇ > 1) is formed; and that subsequently a main injection of a second quantity of fuel is injected into the combustion chamber immediately before the ignition point, with which a layered, rich fuel-air cloud ( ⁇ ⁇ 1) is formed in the area of the spark plug.
  • the amount of fuel injected into the combustion chamber is divided into two injection quantities.
  • the pilot injection takes place in the intake stroke of the internal combustion engine in order to obtain a homogeneous, to form lean fuel-air mixture.
  • a stratified, rich fuel-air mixture in the region of the spark plug is formed immediately before the ignition time, so that a reliable ignition of this charge cloud is made possible even at very late ignition times.
  • the layered main injection under high pressure in the region of the spark plug produces increased turbulence.
  • the main injection is carried out as a multiple injection with multiple layer injections in a temporally short sequence.
  • This multiple injection improves the mixing of the stratified injected fuel with the fresh air and the residual gas, increases the turbulence in the region of the spark plug and thus further stabilizes the combustion.
  • the main injection is carried out as a double injection with two layer injections.
  • the ignition timing may be either after the second main injection split-layer injection or between the first and second main injection layer injections.
  • the main injection is carried out as a triple injection with three layer injections. In this case, the ignition timing may be after the third main injection stratification or, alternatively, between the first and second or between the second and third stratified injection of the main injection.
  • a pre-injection in the case of operation at high residual gas rates a slightly lean fuel-air mixture, in particular a
  • Fuel-air mixture with ⁇ «1.3 is generated in the combustion chamber.
  • a significantly leaner charge mixture is preferably generated, depending on the maximum achievable excess air.
  • the fuel-air mixture after the second layer injection should be averaged over the entire
  • the ignition timing corresponds to the usual ignition timing in a conventional homogeneous mode of operation of the internal combustion engine, i. Depending on the operating point of the internal combustion engine, it is preferably between 0 ° CA and 35 ° CA before the upper ignition dead center.
  • the end of the main injection or the first stratified injection of the main injection is about 2 ° CA to 10 ° CA before the ignition point.
  • the pilot injection is also carried out as a multiple injection with a plurality of homogeneous injections. By this measure, the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber is further improved.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view through a cylinder of a spark-ignited internal combustion engine with direct fuel injection, in which the method according to the present invention can be used;
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a first embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of FIG. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a second embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of FIG. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • Fig. 4 is a schematic diagram of a third embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of FIG. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • Fig. 5 is a schematic diagram of a fourth embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of Fig. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention.
  • Fig. 1 shows a simplified simplified cylinder 12 of a spark-ignition internal combustion engine 10 with fuel direct injection.
  • a combustion chamber 18 is bounded by a piston 14 and a cylinder head 12 closing the cylinder 12.
  • a fuel injector 20 is arranged centrally, with which through a nozzle opening 22 fuel can be injected into the combustion chamber 18.
  • a control device determines during a startup phase of the internal combustion engine 10 u.a. the injection timing of the fuel with the associated amounts of fuel and an ignition timing at which by means of a spark plug 26 or the like formed in the combustion chamber fuel-air mixture is ignited.
  • the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 preferably operates on the four-stroke principle.
  • a first cycle of a working cycle of the internal combustion engine 10 the so-called intake stroke, combustion air is supplied to the combustion chamber 18 through an inlet channel (not shown).
  • the piston 14 moves in a downward movement until to a bottom dead center UT.
  • the piston 14 moves in an upward movement from bottom dead center UT to an upper ignition dead center ZOT.
  • a subsequent expansion stroke the piston 14 moves in a downward movement again to a bottom dead center UT; and in a fourth Ausschiebehub the piston 14 moves in an upward movement to a top dead center TDC, thereby expelling the exhaust gases from the combustion chamber 18.
  • the aim of the method according to the invention is to provide an injection strategy for an internal combustion engine which permits external recirculation or internal retention of large residual gas rates or operation with a very lean charge mixture in order to achieve the highest possible fuel economy. At the same time, combustion should be stabilized, smoothness maintained and nitrogen oxide emissions reduced.
  • An essential point of the method according to the invention is the division of the injected fuel into two parts, namely a homogeneous pre-injection M H and a stratified main injection M s .
  • a first amount of fuel is injected in a pilot injection M H , so that a homogeneous fuel-air mixture with a fuel-air ratio ⁇ > 1 is formed in the entire combustion chamber 18.
  • a slightly lean mixture preferably formed with a fuel-air ratio ⁇ of about 1.3.
  • a significantly leaner mixture is formed depending on the maximum achievable excess air.
  • the ignition time ZT which corresponds to the usual ignition timing in a homogeneous mode of the internal combustion engine 10 and which, depending on the operating point of the internal combustion engine between 0 ° and about 35 ° CA KW before the top dead center (ZOT), is immediately before the ignition ZT injected a second amount of fuel in a main injection M s in the combustion chamber 18 as a stratified injection.
  • the ignition timing ZT can be influenced by the idling control, the knock control or other control actions, the injection timing of the main injection M s must be coupled to the ignition timing ZT. This coupling takes place via a controllable, operating point dependent distance angle ⁇ between the end of the stratified main injection M s and the ignition timing ZT.
  • This distance angle ⁇ is preferably in a crank angle range of 2 ° CA to 10 ° CA before the ignition time ZT.
  • this stratified main injection M s is the formation of a slightly rich ( ⁇ ⁇ 1, eg ⁇ "0.8), despite the high residual gas content in the combustion chamber 18 safely flammable charge cloud 30 in the vicinity of the spark plug 26 at the ignition ZT.
  • ⁇ ⁇ 1, eg ⁇ "0.8 slightly rich
  • the formation of the charge cloud 30 is primarily dependent on the jet formation and thus independent of the piston position and the internal combustion chamber flow.
  • the formation of the injection jet depends primarily on the shape of the injection nozzle 22 and the injection pressure.
  • the fuel-air ratio ⁇ is stoichiometric ( ⁇ »1) after the stratified main injection M s over the entire combustion chamber 18 in the case of high residual gas contents. In a homogeneous lean operation of the internal combustion engine 10, however, this fuel-air ratio is lean.
  • the stratified main injection M s was in the form of a single injection
  • the stratified main injection M s in the second embodiment of FIG. 3 performed immediately before the ignition timing ZT as a double injection with a first and a second layer injection within a few milliseconds. Due to the clocked execution of the stratified main injection M s as multiple injection, the mixture formation of the rich charge cloud 30 in the region of the spark plug 26 is further improved due to a better mixing of the fuel vapor with the fresh air and thus also the smooth running of the internal combustion engine 10. In addition, the multiple injection also increases the turbulence in the region of the spark plug 26 and thus further stabilizes the combustion.
  • the ignition time ZT can either be only after the second main injection injection M s or between the first and second main injection injection M s .
  • the injection timing of the main injection M s is coupled to the ignition timing ZT in such a way that the distance angle ⁇ between the end of the first stratified injection of the main injection M s and the ignition time as a function of the operating point is preferably approximately 2 ° CA to approximately 10 ° CA.
  • the main injection M s is performed as a double injection with a first and a second layer injection
  • the main injection M s in the third embodiment of Fig. 4 is performed as a triple injection with a first, a second and a third layer injection.
  • the Distance angle ⁇ between the end of the first layer injection and the ignition timing ZT is also in this case preferably about 2 ° CA to about 10 ° CA.
  • the ignition ZT is optionally effected between the first and the second or between the second and the third stratified injection of the stratified main injection M s or optionally also only after the third stratified injection of the main injection M s .
  • the fourth exemplary embodiment of the invention illustrated in FIG. 5 differs from the third exemplary embodiment of FIG. 4 in that the homogeneous pilot injection M H is also carried out as a multiple injection, in the embodiment shown as a double injection. Through this homogeneous double injection, the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber is further improved.
  • the present invention is particularly suitable for a spark-ignition internal combustion engine with
  • the advantages of the present invention are in particular in the stabilization of combustion at high residual gas rates in the combustion chamber by external exhaust gas recirculation or internal exhaust gas retention by suitable valve timing; the stabilization of the combustion when operating with lean charge mixture; the saving of fuel by reducing the charge exchange work by Entschrosseln by means of external Exhaust gas recirculation or internal exhaust gas retention; the saving of fuel by reducing the charge exchange work by throttling by means of lean operation of the internal combustion engine; and the reduction of nitrogen oxide formation by lowering the combustion chamber temperature by the presence of increased amounts of inert gas or by the combustion with increased excess air.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine,(10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch. Zunächst wird eine Voreinspritzung (MH) einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (10) in den Brennraum (18) eingespritzt, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum (18) ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (lambda > 1) gebildet wird, und anschliessend wird eine Haupteinspritzung (Ms) einer zweiten Kraftstoffmenge,unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennrauf (18) eingespritzt, mit welcher im Bereich der Zündkerze (26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch (lambda < 1) gebildet wird. Auf diese Weise wird die Verbrennung bei hohen Restgasraten im Brennraum (18) durch externe Abgasrückführung oder interne Abgasrückhaltung oder bei einem sehr mageren Ladungsgemisch stabilisiert, sodass die durch diese Betriebsarten erzielte Kraftstoffersparnis optimiert werden kann.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit
Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch.
Bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung sowie bei in homogener Betriebsweise betriebenen direkteinspritzenden Ottomotoren kann durch eine interne Restgasrückhaltung oder eine externe Rückführung von Verbrennungsgasen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erzielt werden. Dies ist in der sogenannten Entdrosselung begründet. Darunter versteht man die Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch eine Erhöhung des Saugrohrdrucks. Die Erhöhung des Saugrohrdrucks wird möglich, da sich durch das Wiederansaugen von Restgas die Gesamtladung erhöht und daher eine größere Luftmenge während des Ansaughubs in den Brennraum gelangen muss. Je größer die rückgeführte Restgasmenge, um so höher wird die Gesamtladung im Brennraum und damit auch der benötigte Saugrohrdruck. Begrenzt wird die mögliche Abgasrückführrate durch die sich mit steigendem Restgasgehalt verschlechternde Verbrennungsstabilität .
Ein weiterer Vorteil von Abgasrückführung oder -rückhaltung ist das Absenken der Brennraumtemperatur durch die Anwesenheit von Inertgas während der Verbrennung. Das Inertgas wird während der- Verbrennung vom heißen Verbrennungsgas erwärmt und entzieht dabei dem Verbrennungsgas entsprechend Energie. Die geringere Brennraumtemperatur reduziert die Bildung von Stickoxiden deutlich, da die Bildung von Stickoxiden in erster Linie von der Temperatur abhängt . Hohe Temperaturen und die Anwesenheit von Sauerstoff begünstigen die Stickoxidbildung.
Ein Betrieb eines Ottomotors mit magerem Ladungsgemisch ermöglicht ebenfalls eine Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs. Auch in diesem Fall erhöht sich durch die größere angesaugte Luftmasse, die hier allerdings nur aus Frischluft besteht, die Ladungsmenge und somit der Saugrohrdruck. Das bei der Verbrennung entstehende Moment wird durch die eingespritzte Kraf stoffmenge vorgegeben, reduziert um den niedrigeren Verbrennungswirkungsgrad bei magerer Verbrennung.
Durch den Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung wird die Bildung von Stickoxiden begünstigt . Diese können aufgrund der Anwesenheit von Sauerstoff im Verbrennungsgas von einem 3- Wege-Katalysator nicht zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert werden und müssen durch einen NOx-Speicherkat oder dergleichen aufwändige Abgasreinigungstechnologien beseitigt werden. Aus diesem Grund muss die Bildung von Stickoxiden schon während der Verbrennung minimiert werden, was hauptsächlich durch ein Absenken der Brennraumtemperatur erreicht werden kann. Die Brennraumtemperatur sinkt mit steigendem Luftüberschuss; eine magere Betriebsart muss also mit möglichst hohem Luftüberschuss betrieben werden.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorzusehen, welches auch bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch die Verbrennung im Brennraum stabilisiert und die Stickoxidemission reduziert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit
Kraftstoffdirekteinspritzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit
Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch wird einem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt; in den Brennraum wird mittels eines KraftstoffInjektors Kraftstoff eingespritzt; und ein in dem Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündkerze zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt gezündet . Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Voreinspritzung einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff- Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird; und dass anschließend eine Haupteinspritzung einer zweiten Kraftstoffmenge unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze eine geschichtete, fette Kraftstoff-Luft-Wolke (λ < 1) gebildet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge auf zwei Einspritzmengen aufgeteilt . Die Voreinspritzung erfolgt im Ansaughub der Brennkraftmaschine, um im gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Mit der Haupteinspritzung im Arbeitshub der Brennkraftmaschine wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich der Zündkerze gebildet, sodass selbst bei sehr späten Zündzeitpunkten eine sichere Entflammung dieser Ladungswolke ermöglicht wird. Außerdem wird durch die geschichtete Haupteinspritzung unter hohem Druck im Bereich der Zündkerze eine verstärkte Turbulenz erzeugt. Durch die homogene, magere Voreinspritzung wird ein höherer Luftüberschuss bereit gestellt, was eine Reduzierung der Stickoxidemission bewirkt, und die geschichtete, fette Haupteinspritzung verbessert die Verbrennungsstabilität bei gleich bleibender Laufruhe der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann der Vorteil der Kraftstoffersparnis durch einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch optimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt. Durch diese Mehrfacheinspritzung wird die Durchmischung des geschichtet eingespritzten Kraftstoffes mit der Frischluft und dem Restgas verbessert, die Turbulenz im Bereich der Zündkerze erhöht und damit die Verbrennung weiter stabilisiert .
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt entweder nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen. In einer alternativen Ausgestaltung der Er indung wird die Haupteinspritzung als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder wahlweise zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Voreinspritzung im Fall des Betriebs bei hohen Restgasraten ein leicht mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere ein
Kraftstoff-Luft-Gemisch mit λ « 1,3 im Brennraum erzeugt wird. Bei magerer Betriebsweise der Brennkraftmaschine wird, abhängig von dem maximal erreichbaren Luftüberschuss vorzugsweise ein deutlich magereres Ladungsgemisch erzeugt .
Im Fall des Betriebs der Brennkraftmaschine bei hohen Restgasraten sollte das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung gemittelt über den gesamten
Brennraum bevorzugt stöchiometrisch (λ = 1) , im Fall des homogenen Magerbetriebs der Brennkraftmaschine ist dieses hingegen bevorzugt mager.
Der Zündzeitpunkt entspricht dem üblichen Zündzeitpunkt in einer herkömmlichen homogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine, d.h. er liegt je nach Betriebspunkt der Brennkraftmashcine bevorzugt zwischen 0°KW und 35°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt das Ende der Haupteinspritzung bzw. der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung etwa 2°KW bis 10°KW vor dem Zündzeitpunkt. In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auch die Voreinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert .
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei welcher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig . 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung; und Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt stark vereinfacht einen Zylinder 12 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 10 mit Kraftsto fdirekteinspritzung. In dem Zylinder 12 wird ein Brennraum 18 durch einen Kolben 14 und einen den Zylinder 12 verschließenden Zylinderkopf 16 begrenzt. Im Zylinderkopf 16 ist zentral ein Kraftstoffinjektor 20 angeordnet, mit welchem durch eine Düsenöffnung 22 Kraftstoff in den Brennraum 18 eingespritzt werden kann. Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) bestimmt während einer Startphase der Brennkraftmaschine 10 u.a. die Einspritzzeitpunkte des Kraftstoffes mit den zugehörigen Kraftstoffmengen und einen Zündzeitpunkt, an dem mittels einer Zündkerze 26 oder dergleichen ein im Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft- Gemisch gezündet wird.
Bei der Freigabe der Düsenöffnung 22 des Kra tstoffinjektors 20 wird der Kraftstoff in Form eines Kegelstrahls 24 mit einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 110° in den Brennraum 18 eingespritzt. Die Positionierung der Zündkerze 26 im Brennraum 18 ist derart gewählt, dass die Elektroden 28 der Zündkerze 26 durch den eingespritzten Kraftstoffkegel 24 nicht benetzt werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 arbeitet vorzugsweise nach dem Viertakt-Prinzip. In einem ersten Takt eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 10, dem sogenannten Ansaughub, wird dem Brennraum 18 durch einen Einlasskanal (nicht dargestellt) Verbrennungsluft zugeführt. Dabei bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt UT. In einem weiteren Kompressionshub der Brennkraftmaschine 10 bewegt sich der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt ZOT. In einem nachfolgenden Expansionshub bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegung wieder bis zu einem unteren Totpunkt UT; und in einem vierten Ausschiebehub fährt der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung bis zu einem oberen Totpunkt OT, um dabei die Abgase aus dem Brennraum 18 auszuschieben.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Einspritzstrategie für eine Brennkraftmaschine vorzusehen, die eine externe Rückführung oder interne Rückhaltung von großen Restgasraten oder den Betrieb bei einem sehr mageren Ladungsgemisch erlaubt, um eine möglichst hohe Kraftstoff- ersparnis zu erzielen. Hierbei sollen gleichzeitig die Verbrennung stabilisiert, die Laufruhe beibehalten und die Stickoxidemission reduziert werden.
Anhand der Darstellungen der Fig. 2 bis 5 werden verschiedene bevorzgte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei sind jeweils die Einspritzvorgänge ES der Brennkraftmaschine 10 über dem Kurbelwinkel °KW aufgetragen.
Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Aufteilung des eingespritzten Kraftstoffs in zwei Teile, nämlich eine homogene Voreinspritzung MH und eine geschichtete Haupteinspritzung Ms. Zunächst wird im Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 eine erste Kraftstoffmenge in einer Voreinspritzung MH eingespritzt, sodass im gesamten Brennraum 18 ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ > 1 gebildet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Homogeneinspritzungen wird bei hohen Restgasraten im Brennraum 18 ein leicht mageres Gemisch, bevorzugt mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ von etwa 1,3 gebildet. Bei magerer Betriebsweise der Brennkraftmaschine wird in Abhängigkeit von dem maximal erreichbaren Luftüberschuss ein deutlich magereres Gemisch gebildet.
Kurz vor dem Zündzeitpunkt ZT, welcher dem üblichen Zündzeitpunkt bei einer homogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 entspricht und welcher je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zwischen 0°KW und etwa 35°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) liegt, wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT eine zweite Kraftstoffmenge in einer Haupteinspritzung Ms in den Brennraum 18 als Schichteinspritzung eingespritzt. Da der Zündzeitpunkt ZT von der Leerlaufregelung, der Klopfregelung oder anderen Regelungseingriffen beeinflusst werden kann, muss der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung Ms an den Zündzeitpunkt ZT gekoppelt sein. Diese Koppelung erfolgt über einen bedatbaren, vom Betriebspunkt abhängigen Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der geschichteten Haupteinspritzung Ms und dem Zündzeitpunkt ZT. Dieser Abstandswinkel Δ liegt bevorzugt in einem Kurbelwinkelbereich von 2°KW bis 10°KW vor dem Zündzeitpunkt ZT.
Zweck dieser geschichteten Haupteinspritzung Ms ist die Bildung einer leicht fetten (λ < 1, z.B. λ « 0,8), trotz des hohen Restgasgehaltes im Brennraum 18 sicher entflammbaren Ladungswolke 30 in der Nähe der Zündkerze 26 zum Zündzeitpunkt ZT. Durch die Schaffung optimaler Bedingungen an der Zündkerze 26 zum Zündzeitpunkt ZT wird eine hohe Entflammungssicherheit erreicht. Aus diesem Bereich kann sich dann die Flammenfront in die Bereiche des Brennraums 18 fortsetzen, in denen das Ladungsgemisch zwar brennbar, aber aufgrund der hohen Restgasrate nicht sicher zündfähig ist . Bei direkteinspritzenden Ottomotoren mit strahlgeführtem Brennverfahren ist die Ausbildung der Ladungswolke 30 in erster Linie von der Strahlausbildung abhängig und somit von der Kolbenposition und der Brennrauminnenströmung unabhängig. Die Ausbildung des Einspritzstrahls hängt vor allem von der Form der Einspritzdüse 22 sowie dem Einspritzdruck ab.
Durch das in Fig. 2 veranschaulichte und oben beschriebene Einspritzverfahren gemäß der Erfindung wird einerseits durch die homogene Voreinspritzung MH ein hoher Luftüberschuss im Brennraum erzielt, was trotz einer mageren Betriebsart zu einer Reduzierung der Stickoxidemission führt, und andererseits wird durch die geschichtete Haupteinspritzung Ms zum Zündzeitpunkt ZT eine sicher entflammbare Ladungswolke im Bereich der Zündkerze 26 zur Verfügung gestellt, was trotz eines hohen Restgasgehalts im Brennraum 18 zu einer stabilen Verbrennung und einer Verringerung der Brennraumtemperatur führt . Auf diese Weise kann somit ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit hohem Restgasgehalt oder sehr magerem Ladungsgemisch durchgeführt werden, bei dem die Kraftstoffersparnisse optimiert und gleichzeitig die Stickoxidemission reduziert ist .
Vorzugsweise ist das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ nach der geschichteten Haupteinspritzung Ms ge ittelt über den gesamten Brennraum 18 im Fall von hohen Restgasgehalten stöchiometrisch (λ » 1) . Bei einem homogenen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 10 ist dieses Kraftstoff-Luft-Verhältnis dagegen mager.
Während im ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 die geschichtete Haupteinspritzung Ms in Form einer Einfacheinspritzung erfolgte, wird die geschichtete Haupteinspritzung Ms im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 3 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung innerhalb weniger Millisekunden durchgeführt. Durch die getaktete Ausführung der geschichteten Haupteinspritzung Ms als Mehrfacheinspritzung wird die Gemischbildung der fetten Ladungswolke 30 im Bereich der Zündkerze 26 aufgrund einer besseren Durchmischung des Kraftstoffdampfes mit der Frischluft und damit auch die Laufruhe der Brennkraftmaschine 10 weiter verbessert. Außerdem wird durch die Mehrfacheinspritzung auch die Turbulenz im Bereich der Zündkerze 26 erhöht und somit die Verbrennung weiter stabilisiert .
Wie in Fig. 3 angedeutet, kann der Zündzeitpunkt ZT im Fall einer geschichteten Doppeleinspritzung Ms entweder erst nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms oder aber zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms liegen. Der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung Ms ist dabei derart an den Zündzeitpunkt ZT gekoppelt, dass der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms und dem Zündzeitpunkt in Abhängigkeit vom Betriebspunkt bevorzugt etwa 2°KW bis etwa 10°KW beträgt.
Die übrigen Aspekte des zweiten Ausführungsbeispiels und die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 2.
Während im zweiten Ausführungsbeispiel die Haupteinspritzung Ms als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung ausgeführt wird, wird die Haupteinspritzung Ms im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 als Dreifacheinspritzung mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Schichteinspritzung durchgeführt. Der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzung und dem Zündzeitpunkt ZT beträgt auch in diesem Fall bevorzugt etwa 2°KW bis etwa 10°KW.
Wie in Fig. 4 dargestellt, erfolgt die Zündung ZT wahlweise zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der geschichteten Haupteinspritzung Ms oder wahlweise auch erst nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms .
Das in Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 dadurch, dass auch die homogene Voreinspritzung MH als Mehrfacheinspritzung, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Doppeleinspritzung, ausgeführt wird. Durch diese homogene Doppeleinspritzung wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert .
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese homogene Mehrfacheinspritzung MH von Fig. 5 auch mit allen anderen gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, ohne dass dies explizit dargestellt ist.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
Kraftstoffdirekteinspritzung. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere in der Stabilisierung der Verbrennung bei hohen Restgasraten im Brennraum durch externe Abgasrückführung oder interne Abgasrückhaltung durch geeignete Ventilsteuerzeiten; der Stabilisierung der Verbrennung bei Betrieb mit magerem Ladungsgemisch; der Einsparung von Kraftstoff durch die Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch Entdrosseln mittels externer Abgasrückführung oder interner Abgasrückhaltung; der Einsparung von Kraftstoff durch eine Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch Entdrosseln mittels magerem Betrieb der Brennkraftmaschine; und der Reduzierung der Stickoxidbildung durch Absenken der Brennraumtemperatur durch die Anwesenheit erhöhter Inertgasmengen bzw. durch die Verbrennung mit erhöhtem Luftüberschuss .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohem Restgasgehalt oder sehr magerem Ladungsgemisch, bei welchem einem Brennraum (18) Verbrennungsluft zugeführt wird; in den Brennraum (18) mittels eines Kraftstoffinjektors (20) Kraftstoff eingespritzt wird; und ein in dem Brennraum (18) gebildetes Kraftstoff-Luft- Gemisch mittels einer Zündkerze (26) zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt (ZT) gezündet wird, wobei eine Voreinspritzung (MH) einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (10) in den Brennraum (18) eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum (18) ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird; und anschließend eine Haupteinspritzung (Ms) einer zweiten Kraftstoffmenge unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennraum (18) eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze (26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ < 1) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Mehrfaσheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Dreif cheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Voreinspritzung (MH) im Fall des Betriebs bei hohen Restgasraten ein leicht mageres Kraftstoff- Luft-Gemisch, insbesondere ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit λ « 1,3 im Brennraum (18) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung (Ms) gemittelt über den gesamten Brennraum (18) etwa stöchiometrisch (λ « 1) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung (Ms) gemittelt über den gesamten Brennraum (18) mager ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZT) zwischen 0°KW und etwa 35°KW vor einem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Haupteinspritzung (Ms) bzw. der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung (Ms) etwa 2°KW bis 10°KW vor dem Zündzeitpunkt (ZT) liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass auch die Voreinspritzung (MH) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt wird.
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