DE10065266A1 - Verfahren, Computerprogramm sowie Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Brennkraftmaschine (10) umfasst mindestens einen Brennraum (12). Sie wird dadurch betrieben, dass Kraftstoff mindestens zeitweise pro Arbeitszyklus durch mindestens zwei Einzeleinspritzungen direkt in den Brennraum (12) eingespritzt wird. Außerdem liegt die Verbrennungsluft mindestens bereichsweise im Brennraum (12) in einer turbulenten Strömung vor. Um die Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine (10) gering zu halten und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass im gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine (10) eine turbulente Strömung erzeugt und die Verbrennungsluft außerhalb des Brennraums (12) vorverdichtet wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, bei dem mindestens zeitweise der Kraftstoff pro Arbeitszyklus durch mindestens zwei Einzeleinspritzungen direkt in den Brennraum eingespritzt wird und die Verbrennungsluft mindestens bereichsweise im Brennraum in einer turbulenten Strömung vorliegt.

Ein solches Verfahren ist vom Markt her bekannt. Bei der entsprechenden Brennkraftmaschine sind die Einspritzventile direkt an den jeweiligen Brennräumen angeordnet, die Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt also direkt in das Brennraumvolumen. Sie werden von einer im Allgemeinen als "Rail" bezeichneten und unter hohem Druck stehenden Kraftstoffleitung mit Kraftstoff versorgt. Um die Klopfempfindlichkeit zu reduzieren, wird bei kleinen bis mittleren Drehzahlen die Gemischbildung mit einer sog. Doppeleinspritzung realisiert.

Dabei wird mittels zweier gestaffelter Einspritzungen pro Arbeitszyklus im Volllastbereich einem mageren homogenen Grundgemisch ein fettes heterogenes Gemisch überlagert. Unter einem Arbeitszyklus wird ein vollständiges Arbeitsspiel, bei einem Viertaktmotor also ein die vier Takte umfassender Zyklus, verstanden. Dieses Vorgehen reduziert in Folge der geringeren Klopfempfindlichkeit des homogen mageren Grundgemisches die Klopfempfindlichkeit signifikant, so dass wesentlich günstigere Voraussetzungen zum wirkungsgrad- und leistungsoptimalen Betrieb gegeben sind. Beispielsweise kann der Zündwinkel in einem Bereich liegen, welcher beim oder mindestens näher am optimalen Zündwinkel liegt.

Insbesondere um die Gemischbildung für die spät erfolgende Zweiteinspritzung realisieren zu können, ist eine entsprechend hohe Ladungsbewegung im Brennraum erforderlich. Diese Ladungsbewegung wird bei dem bekannten Verfahren mit einer separaten Schaltklappe realisiert. Durch diese wird beispielsweise einer von zwei Luftkanälen geschlossen. Je nach Verfahren wird im Brennraum damit eine Tumble-Strömung, welche quer zur Zylinderachse rotiert, oder eine Drallströmung realisiert, welche um eine Achse rotiert, die parallel zur Zylinderachse liegt. Derartige Strömungen sind mit dem Begriff "turbulent" gemeint. Das Ende der letzten Einspritzung liegt bei dem bekannten Verfahren nach dem Zündzeitpunkt.

Bei den besagten Schaltklappen können jedoch insbesondere ab mittleren Drehzahlen bei Volllast gewisse Strömungsver­ luste entstehen, welche die Füllung des Brennraumes beeinträchtigen. Um dennoch ein optimales Gemisch herstellen und die geforderte Leistung bereitstellen zu können, werden daher in bestimmten Lastbereichen der Brennkraftmaschine diese Schaltklappen in eine Neutralposition bewegt. Da dann jedoch die entsprechende turbulente Strömung im Brennraum nur in geringerem Umfang vorliegt, ist die Gemischbildung für die spät erfolgende Zweiteinspritzung nicht mehr ganz optimal, was das Abgas- und Leistungsverhalten der Brennkraftmaschine beeinträchtigen kann. In bestimmten Extremfällen sind sogar die Voraussetzungen für eine Zweiteinspritzung überhaupt nicht mehr gegeben. Dann steigt jedoch wieder die Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine an.

Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Brennkraftmschine in ihrem ganzen Betriebsbereich klopfunempfindlich ist und gleichzeitig sie in ihrem gesamten Drehzahlbereich einen hohen Wirkungsgrad und ein günstiges Emissionsverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das im gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine eine turbulente Strömung erzeugt und die Verbrennungsluft außerhalb des Brennraums vorverdichtet wird.

Vorteile der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also jene Einrichtung, welche die Turbulenz im Brennraum erzeugen soll, so angesteuert werden, dass im gesamten Lastbereich eine turbulente Strömung vorliegt. Ggf. kann auf eine bewegliche Einrichtung, z. B. eine Schaltklappe, vollständig verzichtet werden und stattdessen eine stationäre bzw. unbewegliche Einrichtung zur Turbulenzerzeugung verwendet werden. Um die durch die Turbulenz entstehenden Liefergradeinbußen bei Volllast kompensieren zu können, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dem Brennraum vorverdichtete Verbrennungsluft zugeführt. Das Volumen der zugeführten Verbrennungsluft ist wegen der Turbulenzerzeugung zwar geringer, aufgrund der Vorverdichtung ist die für die Verbrennung maßgebliche Luftmasse jedoch gewährleistet.

Mit diesem einfachen Verfahren ist es also möglich, die für eine Zweiteinspritzung erforderliche Turbulenzerzeugung im Brennraum beizubehalten, so dass die Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in allen Betriebsbereichen sehr klopfunempflindlich ist. Gleichzeitig ist jedoch in allen Betriebsbereichen ein hoher Wirkungsgrad und ein günstiges Emissionsverhalten gewährleistet, da aufgrund der Vorverdichtung immer die für die gewünschte Verbrennung erforderliche Luftmasse im Brennraum zur Verfügung steht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die erste Einspritzung während der Ansaugphase und die letzte Einspritzung nach dem Zündzeitpunkt beendet wird. Durch eine Einspritzung über die Kompressionsphase der Brennkraftmaschine hinaus wird die Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine nochmals reduziert. Da bei hohen Drehzahlen und bei Volllast jedoch nur eine sehr kurze Zeitspanne zur Verfügung steht, um nach der letzten Einspritzung das Gemisch zu bilden, ist hier das Vorliegen einer entsprechenden Turbulenz im Brennraum besonders wichtig, welche in dem besagten Betriebsbereich nur durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen bereitgestellt werden kann.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die effektive Verdichtung im Brennraum mindestens zeitweise geringer ist als die geometrische Verdichtung und die vorverdichtete Ansaugluft gekühlt wird. Eine Reduzierung der effektiven Verdichtung im Brennraum kann durch die Zufuhr vorverdichteter Verbrennungsluft ohne Weiteres kompensiert werden, ohne dass Leistungseinbußen beim Motor auftreten. Dadurch, dass jedoch gekühlte vorverdichtete Ansaugluft in den Brennraum gelangt, sinkt insgesamt die Temperatur im Brennraum, was die Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine nochmals deutlich reduziert.

Die Absenkung der effektiven Verdichtung im Brennraum kann dabei dadurch erfolgen, dass mindestens ein Einlassventil vor der Ansaugphase oder nach dem Beginn der Verdichtungsphase geschlossen wird. Ein Schließen des Einlassventils vor dem Ende der Ansaugphase bedeutet, dass ein Teil der Abwärtsbewegung des Kolbens bei geschlossenem Einlassventil erfolgt. Wird das Einlassventil nach dem Beginn der Verdichtungsphase geschlossen, wird ein Teil der angesaugten Verbrennungsluft wieder durch das noch geöffnete Einlassventil aus dem Brennraum heraus bewegt. Beide Maßnahmen bewirken auf einfache Art und Weise die Reduzierung der effektiven Verdichtung gegenüber der geometrischen Verdichtung.

Dabei wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt, dass die effektive Verdichtung in einem mittleren und in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine kleiner ist als die geometrische Verdichtung, und in einem unteren Drehzahlbereich die geometrische und die effektive Verdichtung im Wesentlichen gleich sind. Durch diese Weiterbildung wird ermöglicht, dass die effektive Verdichtung nur in den klopfkritischen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine reduziert wird.

Auch thermodynamisch ist eine Reduzierung der effektiven Verdichtung besonders in den höheren Drehzahlbereichen günstig, da insgesamt die Temperatur der Brennkraftmaschine aufgrund der niedrigeren Temperatur der Verbrennungsluft im Brennraum abgesenkt werden kann. Schließlich wird durch eine solche Reduktion der effektiven Verdichtung nur bei höheren Drehzahlen die sichere Funktion eines ggf. durch das Abgas angetriebenen Verdichters sichergestellt, welche bei der Reduktion der effektiven Verdichtung auch im unteren Drehzahlbereich aufgrund des dann geringeren Abgasmassenstroms in Folge der Liefergradreduzierung gefährdet wäre. Insbesondere das Ansprechverhalten und das Spontanmoment wird durch die erfindungsgemäße Weiterbildung des Verfahrens in einem akzeptablen Bereich gehalten.

Möglich ist auch, die effektive Verdichtung im Brennraum dann zu reduzieren, wenn die Gefahr eines Klopfens besteht. Eine solche Klopfgefahr kann z. B. durch einen speziellen Klopfsensor erkannt werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem unteren Drehzahlbereich, insbesondere bei hoher Leistungsanforderung, pro Arbeitszyklus mehr Einzeleinspritzungen als in einem oberen Drehzahlbereich erfolgen. Dabei wird besonders bevorzugt, dass in einem unteren Drehzahlbereich pro Arbeitszyklus drei und in einem oberen Drehzahlbereich pro Arbeitszyklus zwei Einspritzungen erfolgen. Dabei liegt das Ende der letzten Einspritzung vorzugsweise nach dem Zündzeitpunkt.

Möglich ist auch, dass dann, wenn die Abgastemperatur oberhalb eines Grenzwerts und die Drehzahl der Brennkraftmaschine oberhalb des unteren Drehzahlbereichs liegen, die effektive Verdichtung gegenüber der geometrischen Verdichtung reduziert wird. Die Reduktion der effektiven Verdichtung führt zu einem gegenüber der effektiven Verdichtung höheren Expansionsverhältnis, welches wiederum eine deutlich reduzierte Abgastemperatur zur Folge hat. Somit kann bei hoher Leistungsanforderung auf eine Anfettung des Gemisches zur Abgastemperaturreduzierung verzichtet werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch und das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, bei der der Kraftstoff mindestens zeitweise pro Arbeitszyklus durch mindestens zwei Einzeleinspritzungen direkt in den Brennraum eingespritzt wird und die Verbrennungsluft mindestens bereichsweise im Brennraum in einer turbulenten Strömung vorliegt.

Um ein unkritisches Klopfverhalten der Brennkraftmaschine in jedem Drehzahl- und Lastbereich sicherstellen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Steuer- und/oder Regelgerät zur Steuerung und/oder Regelung des obigen Verfahrens geeignet ist. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Steuer- und/oder Regelgerät mit einem Computerprogramm der oben genannten Art versehen ist.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, mit mindestens einem Einspritzventil, welches den Kraftstoff mindestens zeitweise pro Arbeitszyklus durch mindestens zwei Einzeleinspritzungen direkt in den Brennraum einspritzt, und mit einer Turbulenzeinrichtung, welche bewirkt, dass die Verbrennungsluft mindestens bereichsweise im Brennraum in einer turbulenten Strömung vorliegt.

Um ebenfalls sicher zu stellen, dass die Brennkraftmaschine in ihrem gesamten Drehzahl- und Lastbereich ohne oder nur mit geringer Klopfgefahr betrieben werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Turbulenzeinrichtung stationär ist und eine Verdichtungseinrichtung vorgesehen ist, welche die Verbrennungsluft außerhalb des Brennraums vorverdichtet. Im Hinblick auf die Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird auf die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargelegten Vorteile verwiesen.

Besonders bevorzugt ist eine solche Brennkraftmaschine dann, wenn sie ein Steuergerät der oben genannten Art aufweist.

Bei einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine umfasst sie mindestens einen Einlasskanal, der so ausgebildet ist, dass er zur Turbulenz der Strömung im Brennraum mindestens beiträgt. Bei einem solchen Einlasskanal kann es sich z. B. um einen Drallkanal handeln, welcher der Strömung einen Drall auferlegt, der sich im Brennraum fortsetzt. Möglich ist auch, dass die Begrenzung des Brennraums mindestens bereichsweise so ausgebildet ist, dass sie zur Turbulenz der Strömung im Brennraum mindestens beiträgt. So kann beispielsweise die Oberseite des Kolbens eine entsprechende Vertiefung aufweisen, welche der Strömung als Leitwand dient und so die entsprechende Turbulenz erzeugt. Auch kann die entsprechende. Turbulenz durch die Anordnung eines Einlassventils erzeugt werden.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst die Verdichtungseinrichtung einen Abgasturbolader, einen mechanischen Lader und/oder einen elektrisch unterstützten Lader, jeweils mit Ladeluftkühlung. Ein mechanischer oder ein elektrisch unterstützter Lader haben vor allem dann Vorteile, wenn in bestimmten Betriebsbereichen die effektive Verdichtung gegenüber der geometrischen Verdichtung reduziert wird. Insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen und dem Einsatz eines Abgasturboladers könnte es hier zu Problemen kommen, da aufgrund des geringen Abgasmassenstroms der ausreichende Antrieb des Turboladers nicht immer gewährleistet wäre.

Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von Fig. 1; und

Fig. 3 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Brennkraftmaschine trägt in Fig. 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es sei gleich an dieser Stelle angemerkt, dass in Fig. 1 nicht alle zum Betrieb der Brennkraftmaschine 10 erforderlichen Teile dargestellt sind, sondern nur jene, die im vorliegenden Falle relevant sind.

Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Brennraum 12, in den Verbrennungsluft über ein Einlassventil 14 gelangen kann. Kraftstoff wird dem Brennraum 12 über ein Hochdruck -Einspritzventil 16 zugeführt, welches den Kraftstoff wiederum aus einem Kraftstoffsystem 18 erhält. Das Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum 12 wird von einer Zündkerze 20 gezündet, welche von einer Zündanlage 22 angesteuert wird. Die Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 12 durch ein Auslassventil 24 abgelassen.

Dem Einlassventil 14 wird die Verbrennungsluft über ein Einlassrohr 26 zugeführt, welches einen Abschnitt aufweist, der als Drallkanal 28 ausgeführt ist. Die in den Brennraum 12 gelangende Luftmenge wird von einer Drosselklappe 30 eingestellt, welche von einem Stellmotor 32 verstellt werden kann. Die über das Einlassrohr 26 strömende Luftmenge wird von einem Heißfilm-Luftmengenmesser 34 erfasst, der auch kurz als "HFM-Sensort" bezeichnet wird.

Die in das Einlassrohr 26 gelangende Verbrennungsluft wird von einem Verdichter 36 vorverdichtet und in einem Kühler 38 gekühlt. Der Verdichter 36 ist zum einen mechanisch mit einer Turbine 40 verbunden und wird von dieser angetrieben, die wiederum von dem Abgasstrom angetrieben wird, der durch ein Auslassrohr 42 strömt. Die Temperatur im Auslassrohr 42 wird von einem Temperatursensor 44 erfasst. Der Verdichter 36 ist zum anderen mechanisch mit einem Hochgeschwindigkeits-Elektromotor 46 verbunden, so dass er auch elektrisch angetrieben werden kann.

Die Ansteuerung des Einlassventils 14 und des Auslassventils 24 erfolgt durch eine Nockenwelle 48, die über eine Verstelleinrichtung 50 verstellt werden kann. Im Brennraum 12 befindet sich ein in Fig. 1 nur symbolisch dargestellter Kolben 52, der über ein Pleuel 54 mit einer Kurbelwelle 56 verbunden ist. Die Drehzahl der Kurbelwelle 56 wird von einem Drehzahlgeber 58 erfasst. An der Oberseite des Kolbens 52 ist eine Brennraummulde 60 ausgebildet, die als Drallmulde geformt ist. Ferner umfasst die Brennkraftmaschine 10 noch einen Klopfsensor 62, mit dem eine klopfende Verbrennung im Brennraum 12 erfasst werden kann.

Die Brennkraftmaschine 10 umfasst ferner ein Steuer- und Regelgerät 64 mit einem Speicher 66. Das Steuer- und Regelgerät 64 erhält eingangsseitig Signale von einem Stellungsgeber 68 eines Gaspedals 70, vom Drehzahlgeber 58, vom Klopfsensor 62, vom Temperatursensor 44 und vom HFM- Sensor 34. Ausgangsseitig ist das Steuer- und Regelgerät 64 mit der Zündanlage 22, dem Hochdruck-Einspritzventil 16, der Verstelleinrichtung 50 für die Nockenwelle 48, dem Verstellmotor 32 für die Drosselklappe 30 und dem Elektromotor 46 für den Verdichter 36 verbunden.

Es versteht sich, dass die Brennkraftmaschine 10 pro Brennraum 12 mehrere Einlassventile 14 und mehrere Auslassventile 24 sowie auch mehrere Zündkerzen 20 umfassen kann. Ferner versteht sich, dass die Brennkraftmaschine 10 nicht nur einen Brennraum 12, sondern mehrere Brennräume 12 mit den entsprechenden Kolben 52 aufweisen kann. Die Darstellung von nur einem Brennraum 12 wurde ausschließlich aus Übersichtlichkeitsgründen gewählt.

Im Normalbetrieb wird dem Brennraum 12 Luft über das Einlassrohr 26 und den Drallkanal 28 und das geöffnete Einlassventil 14 zugeführt. Durch den Drallkanal 28 erfährt die Verbrennungsluft einen Drall, welcher im Brennraum 12 durch die Ausbildung der Brennraummulde 60 im Kolben 52 unterstützt wird und im Brennraum 12 eine Drallströmung der Verbrennungsluft erzeugt, deren Längsachse parallel zur Längsachse des Zylinders liegt. Möglich wäre die Erzeugung der Turbulenz auch durch eine entsprechend geometrische Anordnung des Einlassventils 14. Abhängig von der über den Stellungsgeber 68 festgestellten Leistungsanforderung des Benutzers wird über das Einspritzventil 16 eine bestimmte Kraftstoffmenge dem Brennraum 12 zugeführt und über die Drosselklappe 30 eine entsprechende und über den HFM-Sensor 34 erfasste Luftmenge zugemessen. Im Normalfall ist dabei die Drosselklappe 30 immer geöffnet, so dass eine maximale Luftfüllung des Brennraums 12 gewährleistet ist.

Der Kraftstoff wird in den Brennraum 12 üblicherweise pro Arbeitstakt durch eine Doppeleinspritzung über das Einspritzventil 16 eingebracht. Dabei wird zunächst während der Ansaugphase, also während der Abwärtsbewegung des Kolbens 52, eine relativ geringe Menge an Kraftstoff in den Brennraum 12 eingebracht. Diese verteilt sich aufgrund des geringen Drucks im Brennraum 12 homogen im Brennraum 12 und führt dort zu einem insgesamt mageren Grundgemisch.

Während der anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 52, also während der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine 12, erfolgt eine zweite Einspritzung von Kraftstoff durch das Einspritzventil 16 in den Brennraum 12. Aufgrund der Drallströmung der Verbrennungsluft in der Brennraummulde 60 im Kolben 52 bildet sich in dieser Brennraummulde mit dem während der zweiten Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ein lokal sehr fettes und heterogenes Luft- Kraftstoffgemisch. Dieses wird dann über den Zündfunken der Zündkerze 20 entzündet (auch wenn dies in Fig. 1 aus zeichnerischen Gründen so nicht dargestellt ist, befindet sich die Zündkerze 20 im Bereich des fetten heterogenen Gemisches in der Brennraummulde 60).

Da außerhalb der Brennraummulde 60 nur ein sehr mageres Grundgemisch vorhanden ist, ist dort die Klopfgefahr sehr gering. Aufgrund des fetten heterogenen Gemisches erfolgt dennoch eine sichere Zündung und eine vollständige Verbrennung des insgesamt im Brennraum 12 vorliegenden stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisches.

Die im Drallkanal 28 und durch die Ausbildung der Brennraummulde 60 erzeugte Drallströmung der Verbrennungsluft führt insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen und bei mittleren bis hohen Drehzahlen zu sehr starken Strömungsverlusten, welche ohne geeignete Maßnahmen die ausreichende Füllung des Brennraums 12 mit Verbrennungsluft gefährden könnten. Dadurch, dass bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 10 die zugeführte Verbrennungsluft jedoch in dem Verdichter 36 vorverdichtet wird, wird dennoch sichergestellt, dass eine ausreichende Luftmasse im Brennraum 12 zur Verbrennung zur Verfügung steht.

Somit kann bei der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 auf bewegliche Einrichtungen zur Erzeugung der turbulenten Luftströmung verzichtet werden, und stattdessen kann ein stationärer Drallkanal 28 und eine stationäre, d. h. also unveränderliche Ausbildung der Brennraummulde 60 vorgesehen werden. Durch den Verdichter 36 wird dennoch zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Versorgung mit Verbrennungsluft sichergestellt.

Eine erste Möglichkeit für den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Das dort dargestellte Verfahren ist in Form eines Computerprogramms im Speicher 66 des Steuer- und Regelgeräts 64 abgelegt. Es läuft folgendermaßen ab:
Nach einem Startblock 72 wird in einem Block 74 abgefragt, ob beim derzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine 10 die Gefahr des Auftretens klopfender Verbrennung besonders groß ist. Die entsprechenden Signale werden vom Klopfsensor 62 bereitgestellt. Ist die Antwort im Block 74 nein, besteht wird also vom Klopfsensor 62 keine Klopfgefahr signalisiert, wird im Block 76 abgefragt, ob die vom Drehzahlgeber 58 erfasste Drehzahl der Kurbelwelle 56 oberhalb eines Grenzwertes liegt. Ist die Antwort im Block 76 ja, befindet sich die Brennkraftmaschine 10 also in einem Betriebszustand mit mittlerer oder hoher Drehzahl, wird im Block 78 das Einspritzventil 16 so angesteuert, dass die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum 12 durch zwei Einspritzungen pro Arbeitszyklus erfolgt.

Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass bei hohen Drehzahlen nur relativ wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht und daher maximal die Zweifach-Einspritzung des Blocks 78 möglich ist. Im anschließenden Block 80 wird abgefragt, ob die vom Temperatursensor 44 erfasste Abgastemperatur oberhalb eines Grenzwerts liegt. Ist dies der Fall, was bei längerer Einwirkung zu Beschädigungen der Turbine 40 bzw. eines in der Fig. 1 nicht dargestellten Katalysators führen könnte, wird im Block 82 die effektive Verdichtung abgesenkt.

Dies geschieht durch die Ausgabe entsprechender Signale an die Verstelleinrichtung 50, welche eine entsprechende Verstellung der Nockenwelle 48 bewirkt. Durch diese Verstellung der Nockenwelle 48 schließt das Einlassventil 14 erst während des beginnenden Verdichtungstaktes, so dass in den Brennraum 12 gelangte Verbrennungsluft zu einem geringen Teil wieder aus dem Einlassventil 14 aus dem Brennraum 12 herausgeschoben wird. Das Programm endet in einem Endblock 84.

Wird im Block 74 aufgrund der Signale vom Klopfsensor 62 festgestellt, dass eine hohe Klopfgefahr vorliegt, wird im Block 86 ebenfalls eine Zweifach-Einspritzung veranlasst. Durch diese wird bereits die Klopfempfindlichkeit erheblich herabgesetzt, da durch die Zweifach-Einspritzung in einem großen Bereich des Brennraums 12 ein klopfunkritisches mageres Gemisch vorliegt. Außerdem wird im Block 82 die effektive Verdichtung abgesenkt, was ebenfalls zu einer Reduktion der Klopfempfindlichkeit führt. Dies beruht u. a. darauf, dass die Temperatur des Abgases im Brennraum 12 durch die Reduktion der effektiven Verdichtung und aufgrund der in Relation zur effektiven Verdichtung höheren Expansion abgesenkt werden kann.

Ist die Antwort im Block 76 nein, liegt die Drehzahl also unterhalb eines Grenzwerts, wird im Block 88 abgefragt, ob über den Stellungsgeber 68 des Gaspedals 70 eine hohe Lastanforderung signalisiert wird. Ist dies der Fall, wird im Block 90 eine Dreifach-Einspritzung veranlasst. Dies ist möglich, da bei den festgestellten geringen Drehzahlen ausreichend Zeit für eine solche Einspritzung zur Verfügung steht. Durch die Dreifach-Einspritzung kann das Auftreten einer klopfenden Verbrennung von vornherein weitgehend vermieden werden. Ist die Antwort im Block 88 nein, wird die Brennkraftmaschine 10 also bei relativ geringer Drehzahl betrieben und keine hohe Last angefordert, erfolgt eine Ein- bis Zweifach-Einspritzung im Block 92.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Absenkung der effektiven Verdichtung im Block 82 davon abhängig gemacht werden, ob eine Verstellung des Zündwinkels einen Grenzwert überschreitet. Analoges gilt für die Einspritzungen in den Blöcken 86 und 90. Die Verstellung des Zündwinkels ist ebenfalls eine Maßnahme, um klopfende Verbrennung zu vermeiden.

Wenn die effektive Verdichtung im Block 82 abgesenkt wird, kann es insbesondere bei niedrigen Drehzahlen aufgrund der geringen Abgasmenge zu einer Beeinträchtigung des Betriebs des Verdichters 36 kommen. In diesem Fall wird der Verdichter 36 vom Elektromotor 46 angetrieben und somit eine Mindestdrehzahl aufrechterhalten. In die gleiche Richtung würde auch ein mechanischer Lader zielen, dessen Betrieb vom Abgasstrom nicht abhängt.

In Fig. 3 ist noch eine zweite, vereinfachte Möglichkeit für den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 von Fig. 1 dargestellt. Funktionsäquivalente Blöcke tragen in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2. Auf sie wird nicht nochmals im Detail eingegangen.

Im Gegensatz zu Fig. 2 wird bei dem in Fig. 3 dargestellten Verfahren bei vorhandener Klopfgefahr (Block 74) unterschieden, ob die Drehzahl oberhalb eines Grenzwerts liegt (Block 76). Abhängig davon erfolgt eine Doppeleinspritzung (Block 86) oder eine Dreifacheinspritzung (Block 90). Ferner wird auch bei bestehender Klopfgefahr geprüft, ob die tatsächliche Abgastemperatur oberhalb eines Grenzwerts liegt (Block 80). Ist dies nicht der Fall, erfolgt - auch bei bestehender Klopfgefahr - keine Absenkung der effektiven Verdichtung. Eine Absenkung der effektiven Verdichtung nur zur Absenkung der Abgastemperatur, also auch dann, wenn keine Klopfgefahr besteht, erfolgt bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel somit nicht.

Claims (19)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Brennraum (12), bei dem der Kraftstoff mindestens zeitweise pro Arbeitszyklus durch mindestens zwei Einzeleinspritzungen direkt in den Brennraum (12) eingespritzt wird die Verbrennungsluft mindestens bereichsweise im Brennraum (12) in einer turbulenten Strömung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass im gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine (10) eine turbulente Strömung erzeugt und die Verbrennungsluft außerhalb des Brennraums (12) vorverdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einspritzung während der Ansaugphase und die letzte Einspritzung nach dem Zündzeitpunkt beendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive (82) Verdichtung im Brennraum (12) mindestens zeitweise geringer ist als die geometrische Verdichtung und die vorverdichtete Ansaugluft gekühlt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einlassventil (14) vor dem Ende der Ansaugphase oder nach dem Beginn der Verdichtungsphase geschlossen wird (82).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Verdichtung in einem mittleren und in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine kleiner ist als die geometrische Verdichtung, und in einem unteren Drehzahlbereich die geometrische und die effektive Verdichtung im Wesentlichen gleich sind (76, 82).

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Gefahr eines Klopfens besteht (74), die effektive Verdichtung gegenüber der geometrischen Verdichtung reduziert wird (82).

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Drehzahlbereich (76) insbesondere bei hoher Leistungsanforderung (88) pro Arbeitszyklus mehr Einzeleinspritzungen (90) als in einem oberen Drehzahlbereich erfolgen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Drehzahlbereich (76) pro Arbeitszyklus drei (90) und in einem oberen Drehzahlbereich pro Arbeitszyklus zwei Einzeleinspritzungen (78) erfolgen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Abgastemperatur oberhalb eines Grenzwerts (80) und die Drehzahl der Brennkraftmaschine oberhalb des unteren Drehzahlbereichs (76) liegt, die effektive Verdichtung gegenüber der geometrischen Verdichtung reduziert wird (82).

10. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.

11. Computerprogramm nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher (66), insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

12. Steuer- und/oder Regelgerät (64) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Brennraum (12), bei der der Kraftstoff mindestens zeitweise pro Arbeitszyklus durch mindestens zwei Einzeleinspritzungen direkt in den Brennraum eingespritzt wird und die Verbrennungsluft mindestens bereichsweise im Brennraum (12) in einer turbulenten Strömung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Steuerung und/oder Regelung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist.

13. Steuer- und/oder Regelgerät (64) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Computerprogramm nach einem der Ansprüche 10 oder 11 versehen ist.

14. Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Brennraum (12), mit mindestens einem Einspritzventil (16), welches den Kraftstoff mindestens zeitweise pro Arbeitszyklus durch mindestens zwei Einzeleinspritzungen direkt in den Brennraum (12) einspritzt, und mit einer Turbulenzeinrichtung (28, 60), welche bewirkt, dass die Verbrennungsluft mindestens bereichsweise im Brennraum (12) in einer turbulenten Strömung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzeinrichtung (28, 60) stationär ist und eine Verdichtungseinrichtung (36) vorgesehen ist, welche die Verbrennungsluft außerhalb des Brennraums (12) vorverdichtet.

15. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuergerät (64) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 aufweist.

16. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Einlasskanal (26) umfasst, der so ausgebildet ist, dass er zur Turbulenz der Strömung im Brennraum (12) mindestens beiträgt.

17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung (60) des Brennraums (12) mindestens bereichsweise so ausgebildet ist, dass sie zur Turbulenz der Strömung im Brennraum (12) mindestens beiträgt.

18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einlassventil (14) so angeordnet ist, dass es zur Turbulenz der Strömung im Brennraum (12) mindestens beiträgt.

19. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinrichtung einen Abgasturbolader (36, 40), einen mechanischen Lader und/oder einen elektrisch unterstützten Lader (36, 46) umfasst, jeweils mit Ladeluftkühlung (38).