DE10115608A1

DE10115608A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10115608A1
Application number: DE10115608A
Authority: DE
Inventors: Gernot Wuerfel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-10
Also published as: WO2002079622A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Um eine sichere und zuverlässige Selbstentzündung des eines in einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass in einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) befindliche Luft aufgeheizt wird und Kraftstoff während einer Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine (1) direkt in den Brennraum (4) eingespritzt wird, wo es zusammen mit der verdichteten, aufgeheizten Luft ein selbstentzündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Als Zusatzmaßnahmen zum Aufheizen der Luft werden insbesondere ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis, eine Abgasrückführung oder eine Aufladung vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Speicherelement für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Auf dem Speicherelement ist ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist. Das Speicherelement ist bspw. als ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder als ein Flash-Memory ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Das Steuergerät dient zur Steuerung und/oder Regelung der Einspritzung von Benzin in einen Brennraum der Brennkraftmaschine.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine weist ein Kraftstoffeinspritzsystem zum direkten Einspritzen von Benzin in einen Brennraum der Brennkraftmaschine auf.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind für Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung Ansätze zum Erzeugen einer selbstzündfähigen Benzin-Luft-Gemischladung bekannt, bei denen ein Benzin-Luft-Gemisch von dem Kolben der Brennkraftmaschine angesaugt wird und unter Einbeziehung von Zusatzmaßnahmen, die der Aufheizung des Gemisches in dem Brennraum dienen, zur Selbstzündung zu bringen.

Als Zusatzmaßnahmen zum Aufheizen des Gemisches sind bekannt:

1. Variation der Füllung des Brennraums über einen variablen Ventiltrieb. Ab einer definierten Luftmenge, die über die Öffnungszeiten der Einlaßventile beeinflußt werden kann, erhitzt sich das komprimierte Benzin-Luftgemisch. Diese Maßnahme weist jedoch Hub- zu-Hub Streuungen der jeweiligen Einzelzylinder auf, sowie zylinderindividuelle Abweichungen einer Brennkraftmaschine. Außerdem können die Brennbeginne der jeweiligen Arbeitszyklen und der einzelnen Zylinder nur schwer kontrolliert werden.
2. Hohe Abgasrückführungsrate. Durch die Rückführung heißer Abgase in den Brennraum kann die Temperatur des in dem Brennraum eingeschlossenen Kraftstoff- Brennluft-Gemisches vor dem Einsetzen der Verbrennung deutlich erhöht werden. Die eigentliche Verbrennungstemperatur während der Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches wird durch die Abgasrückführung jedoch verringert, da durch das Abgas der Sauerstoffgehalt in dem Brennraum reduziert wird. Dadurch wird die Stickoxidemission verringert. Das Abgas dient als Inertgas, durch das die Temperatur der Brennluft erhöht wird und das sich zwar während der Verbrennung in dem Brennraum befindet, an der eigentlichen Verbrennungsreaktion jedoch kaum beteiligt ist. Der Nachteil dieser Maßnahme besteht darin, dass die geeignete Abgasmenge nur schwer zu steuern ist. Es handelt sich um eine träges System, das Hubzu-Hub Streuungen und eine ungleichmäßige Verteilung auf die Brennräume aller Zylinder aufweist.
3. Aufladung der Brennluft. Durch die Aufladung wird die Brennluft verdichtet und ihre Temperatur erhöht. Nachteilig ist jedoch auch bei dieser Maßnahme, dass es sich um ein relativ träges System handelt, das Füllungsunterschiede in den Brennräumen der einzelnen Zylinder aufweist.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschinen wird Benzin direkt in den Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine eingespritzt. Das in dem Brennraum komprimierte Benzin-Luft-Gemisch wird anschließend durch Zünden eines Zündfunkens in dem Brennraum entzündet. Das Volumen des entzündeten Benzin-Luft-Gemisches dehnt sich explosionsartig aus und versetzt einen in dem Zylinder hin- und herbewegbaren Kolben in Bewegung. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine übertragen.

Direkteinspritzende Brennkraftmaschinen können in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Als eine erste Betriebsart ist ein sog. Schichtbetrieb bekannt, der insbesondere bei kleineren Lasten verwendet wird. Als eine zweite Betriebsart ist ein sog. Homogenbetrieb bekannt, der bei größeren, an der Brennkraftmaschine anliegenden Lasten zur Anwendung kommt. Die verschiedenen Betriebsarten unterscheiden sich insbesondere in dem Einspritzzeitpunkt und der Einspritzdauer sowie in dem Zündzeitpunkt.

Im Schichtbetrieb wird das Benzin während der Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine in den Brennraum derart eingespritzt, dass sich im Zeitpunkt der Zündung eine Kraftstoffwolke in unmittelbarer Umgebung einer Zündkerze befindet. Diese Einspritzung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So ist es möglich, dass die eingespritzte Kraftstoffwolke sich bereits während bzw. unmittelbar nach der Einspritzung bei der Zündkerze befindet und von dieser entzündet wird. Ebenfalls ist es möglich, dass die eingespritzte Kraftstoffwolke durch eine Ladungsbewegung zu der Zündkerze geführt und dann erst entzündet wird. Bei beiden Brennverfahren liegt keine gleichmäßige Kraftstoffverteilung in dem Brennraum vor, sondern eine Schichtladung.

Der Vorteil des Schichtbetriebs liegt darin, dass mit einer sehr geringen Kraftstoffmenge die anliegenden kleineren Lasten von der Brennkraftmaschine ausgeführt werden können. Größere Lasten können allerdings nicht durch den Schichtbetrieb erfüllt werden.

Bei der Benzin-Direkteinspritzung nach dem strahlgeführten Brennverfahren kann auch Volllast im Schichtbetrieb bei stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Gemisch gefahren werden. In diesem Fall bedeutet Schichtbetrieb - wie im Tiellastbetrieb - Einspritzung in der Nähe des Zündzeitpunkts.

In dem für derartige größere Lasten vorgesehenen Homogenbetrieb wird das Benzin während der Ansaugphase der Brennkraftmaschine eingespritzt, so dass eine Verwirbelung und damit eine Verteilung des Benzins in dem Brennraum noch vor der Zündung noch ohne Weiteres erfolgen kann. Insoweit entspricht der Homogenbetrieb in etwa der Betriebsweise von Brennkraftmaschinen, bei denen in herkömmlicher Weise Kraftstoff in das Ansaugrohr eingespritzt wird. Bei Bedarf kann auch bei kleineren Lasten der Homogenbetrieb eingesetzt werden.

Im Schichtbetrieb wird eine Drosselklappe in einem zu dem Brennraum führenden Ansaugrohr weit geöffnet und die Verbrennung wird im Wesentlichen nur durch die einzuspritzende Kraftstoffmasse gesteuert und/oder geregelt. Im Homogenbetrieb wird die Drosselklappe in Abhängigkeit von dem angeforderten Moment geöffnet bzw. geschlossen und die einzuspritzende Kraftstoffmasse wird in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmasse gesteuert und/oder geregelt.

In beiden Betriebsarten, also im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb, wird die einzuspritzende Kraftstoffmasse zusätzlich in Abhängigkeit von einer Mehrzahl weiterer Betriebsgrößen auf einen im Hinblick auf Kraftstoffeinsparung, Abgasreduzierung, Lärmverminderung und dergleichen optimalen Wert gesteuert und/oder geregelt. Die Steuerung und/oder Regelung ist dabei in den beiden Betriebsarten unterschiedlich.

Bei Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffeinspritzung direkt in den Brennraum treten im sog. Klopfbetrieb unkontrollierte Selbstzündungseffekte auf, die durch Druckwellen einer regulären, von einer Zündkerze ausgelösten Flammenfront verursacht werden. Dabei werden die unverbrannten Gase von der Flammenfront in einen Zwickelbereich zwischen dem Kolben und der Zylinderwand gedrückt. Mit zunehmender Energieumsetzung nimmt der Brennraumdruck zu und die unverbrannten Gase gelangen zur Selbstzündung.

Das Klopfen entsteht hauptsächlich in niederen Drehzahl- und Lastbereichen, wenn die Brenngeschwindigkeit zu niedrig ist, so dass sich im unverbrannten Gemischanteil ein so hoher Druck aufbauen kann, dass eine unkontrollierte Selbstzündung eintritt, noch bevor die Flammenfront das restliche unverbrannte Benzin-Luft-Gemisch erfassen kann. Ist die Brenngeschwindigkeit schnell genug, erfasst die Flammenfront auch diesen Endgasbereich, noch bevor sich dieser hohe Selbstzündungsdruck in der unverbrannten Zone aufbauen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine durch geeignete Zusatzmaßnahmen unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik die Zündfähigkeit eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Brennraum der Brennkraftmaschine zu erhöhen und zumindest nach Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine eine sichere und zuverlässige Selbstentzündung des Gemisches zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vor, dass in einem Brennraum der Brennkraftmaschine befindliche Luft aufgeheizt wird und Kraftstoff während einer Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine direkt in den Brennraum eingespritzt wird, wo er zusammen mit der verdichteten, aufgeheizten Luft ein selbstentzündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist nicht nur für mit Benzin betriebene Brennkraftmaschinen, sonderen auch für solche Brennkraftmaschinen geeignet, die mit anderen flüssigen Kraftstoffen, die bei bisherigen Anwendungen auf Fremdzündung angewiesen sind, z. B. Kraftstoffe auf Alkoholbasis wie Methanol, Äthanol o. ä. oder Flüssiggas.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine deutliche Verbesserung der Zündfähigkeit eines Kraftstoff- Luft-Gemisches. Dadurch ist es zumindest nach Erreichen der Betriebstemperatur einer Brennkraftmaschine erstmals möglich, die Brennkraftmaschine auch mit solchen Kraftstoffen mit Selbstzündung zu betreiben, für die bisher eine Fremdzündung vorgesehen werden musste. Entscheidend ist dabei das Vorhandensein von Brennluft in einem abgeschlossenen Brennraum, die durch Aufheizen so hoch erhitzt wird, dass durch den zeitgerecht eingespritzten Kraftstoff in die erhitzte Brennluft eine Selbstentzündung eintritt. Der Zeitpunkt der Einspritzung bestimmt den Zeitpunkt der Entflammung. Der Kraftstoff kann so zeitgerecht eingespritzt werden, dass dabei auch die Voraussetzungen für eine gute thermodynamische Verbrennungslage (Schwerpunkt der Energieumsetzung kurz nach dem oberen Zündtotpunkt) erfüllt werden können.

Im Unterschied zur Zündauslösung über eine Zündkerze findet keine punktuelle Entflammung mit klassischer Flammenfrontbildung statt, sondern das Kraftstoff-Luft- Gemisch zündet dort, wo sich auch der Kraftstoff befindet. Durch die Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ohne Flammenfront werden extrem hohe Temperaturen bei der Verbrennung vermieden, wodurch die Bildung von Stickoxiden deutlich reduziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird eine Möglichkeit für eine exakte Zünd- und Verbrennungseinleitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit Hilfe einer zeitgerechten Kraftstoff-Direkteinspritzung in den Verdichtungstakt unter gleichzeitiger Aufheizung der Brennluft vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen kontrollierten Selbstzündungsvorgang, der den Einsatz einer Zündkerze bzw. der kompletten Zündanlage überflüssig machen kann. Mit der kontrollierten Selbstzündung kann der Gütegrad, d. h. die Qualität der Verbrennung deutlich verbessert werden. Dies gelingt durch die Tatsache, dass die Verbrennung nicht mehr von der Zündkerze eingeleitet wird und sich in einer Flammenfront von der Zündkerze ausgehend ausbreitet, sondern allein durch die Aufheizung eines in dem Brennraum eingeschlossenen Kraftstoff-Luft-Gemisches.

Die Verbrennungseinleitung über Selbstzündung besitzt die Eigenschaften einer überwiegend vorgemischten Verbrennung mit geringen Diffusionsanteilen. Dabei entstehen gleichzeitig mehrere Zündquellen, die im gesamten Brennraum verteilt sein können und zwar dort, wo sich ein gut aufbereitetes zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch befindet. Die weitere Flammenausbreitung wird durch die Luftvorwärmung auch in eventuell vorhandenen extrem mageren Gemischzonen unterstützt. Dieses zündfähige Benzin-Luft- Gemisch kann mit den heutigen Mitteln der Einspritztechnik problemlos erzeugt werden (z. B. kleiner Spritzlochdurchmesser eines Einspritzventils im Bereich von 0,12 mm, Mehrfacheinspritzung, Variation des Raildrucks oder Aufheizung des Kraftstoffs kurz vor der Einspritzung).

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verbrennungsluft in dem Brennraum aufzuheizen, von denen nachfolgend einige näher erläutert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass zum Aufheizen der in dem Brennraum befindlichen Luft ein höheres Verdichtungsverhältnis vorgesehen wird. Das erhöhte Verdichtungsverhältnis stellt sicher, dass die Verbrennung unter Berücksichtigung eines geringen Zündverzugs unmittelbar nach der Einspritzung stattfinden kann. Durch die späte Einspritzung kurz vor dem oberen Zündtotpunkt wird ein motorschädigendes Klopfen wirksam unterbunden, da kein Kraftstoff in die Zwickelräume zwischen Kolben und Zylinderwand gelangen kann. Außerdem vermeidet die späte Einspritzung das Entstehen von Glüh- bzw. Frühzündungen, die ebenfalls die Brennkraftmaschine schädigen können. Durch die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses kann die in dem Brennraum enthaltene Brennluft mit einem besonderes geringen Aufwand erhitzt werden. Außerdem kann die Brennluft so aufbereitet werden, dass jede Einspritzung von Benzin auch aussetzerfrei zur Selbstzündung gelangt.

Vorteilhafterweise wird ein höheres geometrisches Kompressionsverhältnis vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein höheres effektives Kompressionsverhältnis vorgesehen werden. Unter dem geometrischen Verdichtungsverhältnis ∈geom versteht man das Verhältnis der Summe aus dem Hubvolumen Vh und dem Kompressionsvolumen Vc zum Kompressionsvolumen Vc (∈geom = (Vh + Vc)/Vc). Es ist insbesondere an eine Anhebung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses auf egeom < 14 gedacht. Das effektive Verdichtungsverhältnis ∈eff ist das tatsächliche Druckverhältnis im Zylinder, wenn der Kolben im oberen Kompressionstotpunkt steht bzw. sich vor der Kompressionsphase im unteren Totpunkt befindet (∈eff = pOT/pUT). Das effektive Verdichtungsverhältnis kann bspw. über Aufladung der Brennkraftmaschine erzeugt werden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass zum Aufheizen der in dem Brennraum befindlichen Luft während einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine zum Teil verbrannte Abgase in den Brennraum gesaugt werden. Durch die Rückführung heißer Abgase in den Brennraum kann die Temperatur der in dem Brennraum eingeschlossenen Brennluft vor dem Einsetzen der Verbrennung deutlich erhöht werden. Die eigentliche Verbrennungstemperatur während der Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches wird durch die Abgasrückführung jedoch verringert, da durch das Abgas der Sauerstoffgehalt in dem Brennraum reduziert wird. Dadurch wird die Stickoxidemission verringert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass zum Aufheizen der in dem Brennraum befindlichen Luft während einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine vorverdichtete Luft in den Brennraum gesaugt wird. Durch die Aufladung wird die Brennluft verdichtet und dadurch ihre Temperatur erhöht.

Die Bildung einer Flammenfront während der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum kann insbesondere dadurch verhindert werden, dass der Kraftstoff fein verteilt in den Brennraum eingespritzt wird.

Vorteilhafterweise wird der Kraftstoff mit Hilfe eines in Durchlassrichtung öffnenden A-Ventils in den Brennraum eingespritzt. Alternativ kann der Kraftstoff mit Hilfe eines entgegen der Durchlassrichtung öffnenden I-Ventils mit mehreren, vorzugsweise mit mindestens sechs, Spritzlöchern in den Brennraum eingespritzt werden, die auf einer Ellipsenlinie oder einer Kreislinie mit der Injektorspitze als Mittelpunkt oder einer sonst geeigneten Form in Abstimmung zur Brennraumgeometrie angeordnet sind. Die Spritzlöcher sind vorzugsweise derart angeordnet, dass der Kraftstoff möglichst gleichmäßig in dem Brennraum verteilt werden kann. Damit kann eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs in dem Brennraum und eine zuverlässige Verbrennung erreicht werden. Dadurch kann sich ein Flammenkern, der sich im Bereich des Einspritzstrahls gebildet hat, unmittelbar auf benachbarte Zonen ausbreiten, ohne dass die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit durch mehr oder weniger große Magerzonen verzögert wird. Die Ausgestaltung des Lochbildes der Einspritzventile entspricht weitgehend dem Lochbild für strahlgeführte Brennverfahren (vgl. "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch", 22. Aufl., Springer-Verlag, 1998, S. 369), worauf ausdrücklich Bezug genommen wird.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kraftstoff über einen Injektor in den Brennraum eingespritzt wird, dessen Kegelöffnungswinkel mindestens 60° beträgt. Die Einspritzstrahlen spannen eine angenäherte Mantelfläche eines Einspritzkegels auf. Je mehr Einspritzstrahlen bei Mehrlochinjektoren vorhanden sind, desto vollkommener ist der Kegelmantel ausgebildet. Mit Mehrlochventilen kann auch ein variabler Strahlkegel dargestellt werden, der in Motorlängsrichtung einen anderen Kegelwinkel besitzt als in Motorquerrichtung. Diese Eigenschaft ist bei dachförmigen Brennräumen wichtig, da aufgrund einer intensiven Strahlbelüftung in Richtung des Dachfirstes ein größerer Kegelwinkel vorteilhafter ist als in Richtung der Dachneigung. Statt Mehrlochinjektoren können bspw. auch nach außen öffnende Schirmstrahldüsen eingesetzt werden, die einen vollkommenen Strahlkegel aufbauen.

Die Aufheizung der in dem Brennraum befindlichen Brennluft kann noch dadurch verbessert werden, dass in den Brennraum eine Glühstiftkerze ragt, die bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine aktiviert wird. Dadurch kann selbst bei einem Kaltstart bei extrem niedrigen Umgebungstemperaturen eine sichere und zuverlässige Zündung und Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sichergestellt werden. Mit Hilfe der Glühstifkerze kann die Selbstentzündung des Kraftstoff- Luft-Gemisches zusätzlich unterstützt werden. Die Glühstiftkerze kann deaktiviert werden, sobald die Brennkraftmaschine rund läuft.

Schließlich wird gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass vor der Einspritzung von Kraftstoff während der Verdichtungsphase eine geringe Menge Kraftstoff direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine voreingespritzt wird. Mit der Voreinspritzung kann bspw. Verbrennungsdruckverläufen mit einem hohen Druckgradienten, die zu lauten Verbrennungsgeräuschen führen, wirksam begegnet werden. Außerdem kann durch eine Voreinspritzung und eine anschließende Entzündung des voreingespritzten Kraftstoffs die umgebende Verbrennungsluft aufgeheizt werden, wodurch der Zündverzug (Differenz zwischen Einspritzzeitpunkt, Ansteuerbeginn und Verbrennungsbeginn) für die Haupteinspritzung verkürzt werden kann.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Speicherelements, das für ein Steuergerät einer Benzin- Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Speicherelement abgespeichertes Computerprogramm realisiert, so dass dieses mit dem Computerprogramm versehene Speicherelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist. Als Speicherelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein Read-Only-Memory, ein Random-Access- Memory oder ein Flash-Memory.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm der eingangs genannten Art, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf dem Rechengerät abläuft. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Computerprogramm auf einem Speicherelement, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Steuergerät der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät eine Aufheizung von in dem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlicher Luft und eine Einspritzung des Kraftstoffs während einer Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine direkt in den Brennraum veranlasst, wo er zusammen mit der verdichteten, aufgeheizten Luft ein selbstentzündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.

Schließlich wird als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ausgehend von der Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine Mittel zum Aufheizen von in dem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlicher Luft aufweist und das Kraftstoffeinspritzsystem Kraftstoff während einer Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine direkt in den Brennraum einspritzt, wo es zusammen mit der verdichteten, aufgeheizten Luft ein selbstentzündbares Kraftstoff-Luft- Gemisch bildet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine Mittel zum Aufheizen des Kraftstoffs in dem Kraftstoffeinspritzsystem aufweist und das Kraftstoffeinspritzsystem den aufgeheizten Kraftstoff in den Brennraum einspritzt.

Zeichnungen

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und

Fig. 3 ein Beispiel für einen zeitlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens aus Fig. 2 in Abhängigkeit von einer Drehwinkelstellung °KW einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße direkteinspritzende Benzin-Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin und her bewegbar ist. Die vorliegende Erfindung ist nicht nur für mit Benzin betriebene Brennkraftmaschinen 1, sonderen auch für solche Brennkraftmaschinen geeignet, die mit anderen flüssigen Kraftstoffen, die bei bisherigen Anwendungen auf Fremdzündung angewiesen sind, z. B. Kraftstoffe auf Alkoholbasis wie Methanol, Äthanol o. ä. oder Flüssiggas. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Es können auch mehrere Einlassventile 5 und/oder mehrere Auslassventile 6 je Brennraum 4 vorgesehen sein. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslassventil ein Abgasrohr 8 gekoppelt.

Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragt ein Einspritzventil 9 in den Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann Benzin in den Brennraum 4 eingespritzt werden.

In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11 untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstehenden Abgase dient.

Der Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoff- Luft-Gemisches 4 in eine Hin- und Herbewegung versetzt, die auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen wird und auf diese ein Drehmoment ausübt. An der Oberseite des Kolbens 2 ist eine Brennraummulde 23 vorgesehen. Das Einspritzventil 9 ist zentrisch zu der Brennraummulde 23 angeordnet und weist eine Mehrloch-Düse auf. Durch die Brennraummulde 23 und das besonders ausgebildete Einspritzventil 9 kann ein strahlgeführtes Brennverfahren realisiert werden. Die Brennkraftmaschine 1 wird im Schichtbetrieb betrieben.

Ein Steuergerät 18 zur Steuerung und/oder Regelung der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine 1 ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Bspw. ist das Steuergerät 18 mit einem Luftmassensensor, einem Lambda-Sensor, einem Drehzahlsensor und dergleichen verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 18 mit einem Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal erzeugt, das die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit das angeforderte Drehmoment angibt. Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Bspw. ist das Steuergerät 18 mit dem Einspritzventil 9 (Steuersignal EW), der Drosselklappe 11 und dergleichen verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.

Unter anderem ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Bspw. wird die von dem Einspritzventil 9 in dem Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse von dem Steuergerät 18 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch, eine geringe Schadstoffentwicklung und/oder eine geringe Lärmverursachung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem Mikroprozessor 21 versehen, der in einem Flash-Memory 22 ein Computerprogramm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen und das nachfolgend im Detail erläuterte erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Die Brennkraftmaschine 1 aus Fig. 1 wird vorzugsweise in einem Schichtbetrieb betrieben. Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff während der Verdichtungsphase von dem Einspritzventil 9 direkt in den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt. Damit ist bei der Entzündung kein homogenes Gemisch im Brennraum 4 vorhanden, sondern eine Kraftstoffschichtung. Die Drosselklappe 11 kann, abgesehen von Anforderungen z. B. einer Abgasrückführung und/oder einer Tankentlüftung vollständig geöffnet und die Brennkraftmaschine 1 damit entdrosselt betrieben werden. Das zu erzeugende Moment wird im Schichtbetrieb weitgehend über die Kraftstoffmasse eingestellt. Mit dem Schichtbetrieb kann die Brennkraftmaschine 1 insbesondere im Leerlauf und bei Teillast betrieben werden. Da es sich um ein strahlgeführtes Brennverfahren handelt, kann die Brennkraftmaschine auch bei Volllast im Schichtbetrieb gefahren werden.

In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 30. In einem Funktionsblock 31 wird Luft aus dem Ansaugrohr 7 über das Einlassventil 5 in den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine gesaugt. In einem Funktionsblock 32 wird die angesaugte Brennluft erhitzt. Das kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, bspw. durch ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis, durch eine Aufladung oder durch eine Abgasrückführung. In einem Funktionsblock 33 wird dann über das Einspritzventil 9 Benzin in die komprimierte und erwärmte Brennluft eingespritzt. Das Benzin bildet zusammen mit der Brennluft ein selbstzündfähiges Benzin-Luft- Gemisch, das sich nach einem kurzen Zündverzug selbst entzündet. Zur Verkürzung des Zündverzugs kann bspw. eine Glühstiftkerze in dem Brennraum 4 angeordnet werden, die bei Bedarf für eine zusätzliche Erwärmung der Brennluft zugeschaltet wird. Der Zündverzug kann auch durch eine vorteilhafte Ausgestaltung des Einspritzventils, bspw. einen Mehrlochventil oder eine nach außen öffnende Schirmstrahldüse, verringert werden. In einem Funktionsblock 34 wird das erfindungsgemäße Verfahren dann beendet.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für einen zeitlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens aus Fig. 2 in Abhängigkeit von einer Drehwinkelstellung °KW der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Die genauen Zeiten für Ansteuerbeginn und Ansteuerende hängen vom Injektor und der Brennraumgestaltung ab. Die durchgezogene Linie 40 stellt den Kolbenhubverlauf dar. Der maximale Kolbenhub ist durch eine gestrichelte Linie 41 dargestellt und beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 86,6 mm. Der obere Zündtotpunkt ZOT liegt bei 0°KW. Bei etwa -30°KW liegt der Ansteuerbeginn ASB, wo mit dem Einspritzen von Benzin in den Brennraum 4 begonnen wird. Bei etwa -20°KW liegt das Ansteuerende ASE, wo die Einspritzung beendet ist. Über den Zeitpunkt von Einspritzbeginn und Einspritzende wird der Zündverzug so bemessen, dass der Verbrennungsbeginn kurz nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT liegt. Unter Zündverzug versteht man die Zeit zwischen Einspritzbeginn und Brennbeginn. Das Benzin wird also so zeitgerecht in den Brennraum 4 eingespritzt, dass die Voraussetzungen für eine gute thermodynamische Verbrennungslage (Schwerpunkt der Energieumsetzung kurz nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT) erfüllt werden können.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) befindliche Luft aufgeheizt wird und Kraftstoff während einer Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine (1) direkt in den Brennraum (4) eingespritzt wird, wo er zusammen mit der verdichteten, aufgeheizten Luft ein selbstentzündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufheizen der in dem Brennraum (4) befindlichen Luft ein höheres Verdichtungsverhältnis vorgesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein höheres geometrisches Kompressionsverhältnis (Egeom) vorgesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein höheres effektives Kompressionsverhältnis (∈eff) vorgesehen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufheizen der in dem Brennraum (4) befindlichen Luft während einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine (1) zum Teil verbrannte Abgase in den Brennraum (4) gesaugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufheizen der in dem Brennraum (4) befindlichen Luft während einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine (1) vorverdichtete Luft in den Brennraum (4) gesaugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff fein verteilt in den Brennraum (4) eingespritzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit Hilfe eines in Durchlassrichtung öffnenden A-Ventils in den Brennraum (4) eingespritzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit Hilfe eines entgegen der Durchlassrichtung öffnenden I-Ventils mit mehreren, vorzugsweise mit mindestens sechs, Spritzlöchern in den Brennraum (4) eingespritzt wird, die auf einer Ellipsenlinie oder einer Kreislinie mit der Injektorspitze als Mittelpunkt angeordnet sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff über einen Injektor in den Brennraum eingespritzt wird, dessen Kegelöffnungswinkel mindestens 60° beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Brennraum eine Glühstiftkerze ragt, die bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (1) aktiviert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einspritzung von Kraftstoff während der Verdichtungsphase eine geringe Menge Kraftstoff direkt in den Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) voreingespritzt wird.

13. Speicherelement (22), insbesondere Read-Only-Memory, Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für ein Steuergerät (18) einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät (21), insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 geeignet ist.

14. Computerprogramm, das auf einem Rechengerät (21), insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 geeignet ist, wenn es auf dem Rechengerät (21) abläuft.

15. Computerprogramm nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm auf einem Speicherelement (22), insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

16. Steuergerät (18) für eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs zur Steuerung und/oder Regelung der Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (4) der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) eine Aufheizung von in dem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) befindlicher Luft und eine Einspritzung des Kraftstoffs während einer Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine (1) direkt in den Brennraum (4) veranlasst, wo es zusammen mit der verdichteten, aufgeheizten Luft ein selbstentzündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.

17. Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) ein Kraftstoffeinspritzsystem zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) Mittel zum Aufheizen von in dem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) befindlicher Luft aufweist und das Kraftstoffeinspritzsystem der Kraftstoff während einer Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine (1) direkt in den Brennraum (4) einspritzt, wo es zusammen mit der verdichteten, aufgeheizten Luft ein selbstentzündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.

18. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) Mittel zum Aufheizen des Kraftstoffs in dem Kraftstoffeinspritzsystem aufweist und das Kraftstoffeinspritzsystem den aufgeheizten Kraftstoff in den Brennraum (4) einspritzt.