DE102004017988A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine (10) wird zunächst eine Voreinspritzung (M¶H¶) 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 (M¶S¶) einer zweiten Kraftstoffmenge in einem Arbeitshub der Brennkraftmaschine unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennraum (18) eingespritzt, mit welcher im Bereich der Zündkerze (26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch (lambda < 1) gebildet wird. Dabei wird die Haupteinspritzung (M¶S¶) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt. Auf diese Weise werden die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch nach dem Kaltstart reduziert, und gleichzeitig kann auf eine konstruktiv aufwendige Sekundärlufteinblasung verzichtet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart.
  • Bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine entstehen nach dem Kaltstart durch die schlechte Gemischaufbereitung im kalten Brennraum hohe Kohlenwasserstoff- und Kohlenstoffmonoxidemissionen. Um die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte zu unterschreiten, muss der Katalysator nach dem Kaltstart möglichst schnell eine Temperatur erreichen, bei der eine ausreichende Schadstoffkonvertierung gewährleistet ist. Diese Temperatur wird im Allgemeinen als Light-Off-Temperatur bezeichnet.
  • Zur Lösung dieses Problems wird herkömmlicher Weise dem Brennraum ein fettes Ladungsgemisch zur Verfügung gestellt, um eine ausreichende Entflammungssicherheit des im Brennraum gebildeten Gemisches zu gewährleisten und den Katalysator für die Abgasnachbehandlung aufzuheizen. Zusätzlich wird häufig eine Sekundärlufteinblasung vorgesehen, um eine Nachoxidation des Verbrennungsgases im Auslasskanal oder im Katalysator zu ermöglichen. Nachteilig an diesen Lösungsansätzen ist jedoch ein erhöhter Kraftstoffverbrauch aufgrund des fetten Ladungsgemisches und die verschiedenen konstruktiven Maßnahmen in Zusammenhang mit der Sekundärlufteinblasung.
    •
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorzusehen, mit welchem die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch nach dem Kaltstart reduziert werden können und gleichzeitig auf eine Sekundärlufteinblasung verzichtet werden kann.
  • 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 13.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung nach dem Kaltstart 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 in einem Arbeitshub der Brennkraftmaschine 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, wobei die Haupteinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt wird.
  • Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird die in den Brennraum einzuspritzende 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. Durch den späten Zündzeitpunkt wird eine hohe Abgastemperatur erzeugt, was die Nachoxidation von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden im Abgassystem begünstigt. Diese hohe Abgastemperatur sowie die Nachoxidation der Schadstoffe im Katalysator selbst sorgen für ein beschleunigtes Aufheizen des (Stirnwand-) Katalysators, der somit nach wenigen Sekunden seine Light-Off-Temperatur erreicht, wodurch insgesamt die Schadstoffemissionen deutlich reduziert werden können. Durch das Aufteilen der zweiten Kraftstoffmenge in mehrere Schichteinspritzungen wird eine bessere Durchmischung des Kraftstoffdampfes mit Frischluft bewirkt, was eine größere eingespritzte zweite Kraftstoffmenge erlaubt, ohne dass die Verbrennung dieser fetten Ladung zu einer übermäßig hohen Kohlenmonoxidemission führt.
  • 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 Erfindung 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 bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung gemittelt über den gesamten Brennraum leicht mager, wobei das mittlere Kraftstoff-Luft-Verhältnis im gesamten Brennraum bevorzugt etwa λ = 1,05 beträgt. Dieser Sauerstoffüberschuss ermöglicht eine vollständige Oxidation der gesamten eingespritzten Kraftstoffmenge ohne zusätzliche Sekundärlufteinblasung.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können späte Zündzeitpunkte von bis zu 30°Kw oder 35°Kw nach einem oberen Zünd-Totpunkt bei einer ausreichenden Laufruhe der Brennkraftmaschine erzielt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Zündzeitpunkt etwa 2°Kw bis 10°Kw nach dem Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung.
  • 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.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nach der Zündung des geschichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches eine weitere Nacheinspritzung mit einer dritten Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt. Durch diese zusätzliche Kraftstoffeinspritzung, die in den Arbeitshub der Brennkraftmaschine erfolgt, wird dem Abgas weitere chemische Energie zugeführt, wodurch die Abgastemperaturen aufgrund einer vollständigen Nachoxidation von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden noch weiter erhöht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine Momentenabgabe der Brennkraftmaschine durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung und das Verhältnis der zweiten Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung zu der gesamten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung geregelt werden. Alternativ kann die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine auch durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung, korrigiert um den an der Verbrennung teilnehmenden Anteil der ersten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung geregelt werden.
    •
  • 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:
  • 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei welcher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
  • 2 ein schematisches Diagramm eines Vergleichsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, zur Erläuterung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Temperaturverlaufs eines Oxidationskatalysators der Brennkraftmaschine von 1 für einen Einspritzverlauf gemäß 2;
  • 4 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Emissionsverlaufs der Brennkraftmaschine von 1 für einen Einspritzverlauf gemäß 2;
  • 5 ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein schematisches Diagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ein schematisches Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 ein schematisches Diagramm eines fünften Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt stark vereinfacht einen Zylinder 12 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 10 mit Kraftstoffdirekteinspritzung. 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 Kraftstoffinjektors 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 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, bei einem gleichzeitigen Verzicht auf eine zusätzliche Sekundärlufteinblasung die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch nach dem Kaltstart zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass ein sehr später Zündzeitpunkt ZT bei dennoch sicherer Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 18 und ausreichender Laufruhe der Brennkraftmaschine ermöglicht wird. Anhand der Darstellung der 2 bis 4 soll zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip näher erläutert werden.
  • In 2 sind dabei die Einspritzvorgänge ES nach dem Kaltstart 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, bevorzugt λ ≈ 1,6 gebildet wird. Dies stellt ein ausreichendes Angebot an Kohlenwasserstoffmolekülen für die Nachoxidation zur Verfügung. Anschließend wird im Arbeitshub der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT eine zweite Kraftstoffmenge in einer Haupteinspritzung MS in den Brennraum 18 als Schichteinspritzung eingespritzt, sodass im Bereich der Zündkerze 26 eine geschichtete Ladungswolke 30 mit λ < 1, zum Beispiel λ ≈ 0,8, gebildet wird, welche sich zum Zündzeitpunkt ZT an der Zündkerze 26 befindet. So wird selbst bei sehr späten Zündzeitpunkten ZT von bis 30°KW oder 35°KW nach dem oberen Zünd-Totpunkt ZOT eine sichere Entflammung der im Brennraum 18 vorhandenen Ladung gewährleistet. Durch die schnelle Verbrennung des fetten Ladungsgemisches ist die Verbrennung der geschichteten Ladungswolke 30 bis zum Öffnen des Auslassventils abgeschlossen.
  • Die Ladungsschichtung ist bei einem strahlgeführten Brennverfahren durch die Strahlausbildung vorgegeben. Eine Einspritzung bei einer bestimmten Kolbenstellung wie bei einem wandgeführten Brennverfahren ist hier nicht notwendig. Dies ermöglicht eine stabile Ladungsschichtung bei allen Einspritzzeitpunkten und somit eine größere Freiheit bei der Wahl des Zünd- und des Einspritzzeitpunktes.
  • Vorzugsweise ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung Bemittelt über den gesamten Brennraum 18 leicht mager, d.h. das mittlere Kraftstoff-Luft-Verhältnis im gesamten Brennraum 18 beträgt bevorzugt etwa λ = 1,05. Dieser Sauerstoffüberschuss ermöglicht eine vollständige Oxidation der gesamten eingespritzten Kraftstoffmenge ohne zusätzliche Sekundärlufteinblasung.
  • Die Freiheit in der Wahl des Zündzeitpunktes ZT in Verbindung mit der gegebenen Entflammungssicherheit und Laufruhe bei extrem späten Zündzeitpunkten ermöglicht die folgende Katalysator-Heizstrategie.
  • Durch die Voreinspritzung MH im Ansaughub wird im gesamten Brennraum 18 ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Dies stellt ein aus-reichendes Angebot an Kohlenwasserstoffmolekülen für die Nachoxidation zur Verfügung. Durch die geschichtete Haupteinspritzung MS im Bereich der Zündkerze 26 wird eine Ladungswolke mit fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt, die eine sichere Entflammung gewährleistet. Durch die schnelle Verbrennung des fetten Gemisches ist die Verbrennung der geschichteten Ladung bis zum Öffnen des Auslassventils abgeschlossen.
  • Die Flammenfront der Verbrennung setzt sich im weiteren Verlauf des Arbeitsspiels in die Bereiche des Brennraums 18 fort, in denen das magere Gemisch vorliegt. Die Brenngeschwindigkeit reduziert sich im Bereich der mageren Verbrennung allerdings deutlich, weshalb die Verbrennung beim Öffnen des Auslassventils noch nicht abgeschlossen ist. Dadurch werden im Auslasskanal und vor dem Stirnwandkatalysator sehr hohe Abgastemperaturen erreicht.
  • Durch die Verbrennung des fetten Ladungsgemisches der geschichteten Haupteinspritzung MS entsteht eine große Menge Kohlenmonoxid. Dieses Kohlenmonoxid wird in der Ausschiebephase zusammen mit teilweise noch unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus den Magerbereichen nachoxidiert.
  • Die Graphik von 3 zeigt gemessene Abgastemperaturen vor bzw. im Stirnwandkatalysator bei einer Kaltstartemissionsmessung für das Einspritzverfahren von 2. Der Ablauf der Messung entspricht den ersten Sekunden des EU98A-Zyklus. Es ist deutlich erkennbar, dass durch den späten Zündzeitpunkt ZT in Verbindung mit der effektiven Nachoxidation des Kohlenmonoxids aus der fetten Ladungswolke 30 sowie der Kohlenwasserstoffe aus den Bereichen mit magerem Frischgemisch sehr hohe Abgaswärmeströme zum Aufheizen des Stirnwandkatalysators bereit gestellt werden. Im Vergleich zu einem homogenen Katalysator-Aufheizen (Kurven d, e und f) mit spätem Zündzeitpunkt ZT hat dies eine starke Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur des Katalysators zur Folge.
  • 4 zeigt eine zugehörige Messung der Schadstoffemissionen, gemessen mit einer für Abgastests verwendeten CVS-Messanlage. Deutlich wird hier vor allem die geringe Kohlenwasserstoffemission direkt nach dem Kaltstart (Kurve A). Die Kohlenwasserstoffe aus den Magerbereichen des Brennraums 18 werden nahezu vollständig aufoxidiert. Auch die Kohlenmonoxidemissionen aus den fetten Ladungsbereichen werden größtenteils aufoxidiert (Kurve C). Die hohen Kohlenmonoxidemissionen bei einem rein homogenen Katalysator-Aufheizen (Kurve D) werden durch die im Kaltstart nötige Anfettung verursacht; dies ist bei einem rein homogenen Einspritzverfahren notwendig, um eine befriedigende Laufruhe der Brennkraftmaschine zu erzielen. Durch den bereits sehr schnell (z.B. nach etwa 11 Sekunden) betriebsbereiten Stirnwandkatalysator ist bei einem homogen-geschichteten Einspritzverfahren gerade in der ersten Beschleunigungsphase eine starke Emissionsreduzierung zu beobachten.
  • Anhand der 5 bis 9 werden nachfolgend verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens nach dem Kaltstart näher erläutert, die auf dem oben beschriebenen Grundprinzip der Erfindung beruhen.
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel von 5 erfolgt die Voreinspritzung MH im Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 als einfache homogene Einspritzung in den Brennraum 18. Die geschichtete Haupteinspritzung MS erfolgt im Arbeitshub der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung innerhalb weniger Millisekunden. Durch die 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 weiter verbessert.
  • Durch den späten Zündzeitpunkt ZT von etwa 30°KW bis 35°KW nach ZOT wird eine hohe Abgastemperatur erzeugt, da der späte Zündzeitpunkt ZT eine späte Schwerpunktlage sowie ein spätes Brennende zur Folge hat. Diese Randbedingungen der hohen Abgastemperatur und des leichten Sauerstoffüberschusses begünstigen die Nachoxidation von CO und HC im Abgassystem, sowohl im Auslasskanal und Abgaskrümmer als auch im Stirnwandkatalysator. Die dabei frei werdende Reaktionswärme bewirkt einen weiteren Anstieg der Abgastemperatur. Diese hohe Abgastemperatur sowie die Oxidation von CO und HC im Katalysator selbst sorgen für ein beschleunigtes Aufheizen des Stirnwandkatalysators, der somit bereits nach wenigen Sekunden seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, sodass die Schadstoffemissionen reduziert werden können.
  • In dem Ausführungsbeispiel von 5 liegt der Zündzeitpunkt ZT erst nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung MS. Allerdings ist der Zündzeitpunkt ZT wie auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen bevorzugt an das Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung MS gekoppelt, wobei der Abstandswinkel Δ in Abhängigkeit vom Betriebspunkt bevorzugt etwa 2°KW bis etwa 10°KW beträgt. Daher erfolgt die Haupteinspritzung MS bei sehr späten Zündzeitpunkten ZT im Arbeitshub.
  • Wie in 6 veranschaulicht, kann der Zündzeitpunkt ZT alternativ auch zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der als Doppeleinspritzung ausgeführten Haupteinspritzung MS liegen. Die anderen Aspekte des Einspritzverfahrens von 6 entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels von 5.
  • Während in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel die Haupteinspritzung MS als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung ausgeführt wird, wird die Haupteinspritzung MS im dritten Ausführungsbeispiel von 7 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 7 dargestellt, erfolgt die Zündung ZT zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der geschichteten Haupteinspritzung MS. Wahlweise kann der Zündzeitpunkt ZT aber auch zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung MS liegen, wie in 7 angedeutet, oder sogar erst nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung MS liegen.
  • Das in 8 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel von 7 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 8 auch mit allen anderen gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, ohne dass dies explizit dargestellt ist.
  • 9 zeigt schließlich ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens, welches eine Weiterentwicklung des zweiten Ausführungsbeispiels von 6 darstellt. Bei diesem Einspritzverfahren findet zusätzlich eine Nacheinspritzung MN mit einer dritten Kraftstoffmenge nach der Zündung ZT bzw. der geschichteten Haupteinspritzung MS statt. Diese Nacheinspritzung MN erfolgt im Arbeitstakt in das heiße Verbrennungsgas, wodurch weitere chemische Energie zugeführt wird. Durch die im Auslasskanal herrschenden Umgebungsbedingungen wird die nachgespritzte Kraftstoffmenge vollständig nachoxidiert, sofern ein ausreichender Sauerstoffüberschuss vorhanden ist.
  • Das vorliegende Einspritzverfahren sieht außerdem vor, dass die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung MS und das Verhältnis (MS / MH+MS) der zweiten Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung MS zu der gesamten Kraftstoffmenge der homogenen Voreinspritzung MH und der geschichteten Haupteinspritzung MS geregelt werden. Alternativ kann die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine auch durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung MS, korrigiert um den an der Verbrennung teilnehmenden Anteil der ersten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung MH geregelt werden.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere in den niedrigeren Schadstoffemissionen nach dem Kaltstart durch ein schnelles Aufheizen des Stirnwandkatalysators sowie durch eine effektive Nachoxidation der entstehenden Rohemissionen; in einer Kraftstoffeinsparung durch den Verzicht auf eine Gemischanfettung im Nachstart sowie der Verkürzung der Katalysator-Aufheizdauer; und in einem Verzicht auf Nebenaggregate und einer Raum- und Kostenersparnis in Zusammenhang mit der nicht erforderlichen Sekundärlufteinblasung.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung nach dem Kaltstart, 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 in einem Arbeitshub der Brennkraftmaschine 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, wobei die Haupteinspritzung (MS) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (MS) als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (MS) als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (MS) als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (MS) als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
  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) leicht mager ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Kraftstoff-Luft-Verhältnis im gesamten Brennraum (18) nach der zweiten Schichteinspritzung (MS) etwa λ = 1,05 beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZT) etwa 10°KW bis 35°KW nach einem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZT) etwa 2°KW bis 10°KW nach dem Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung (MS) liegt .
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Voreinspritzung (MH) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zündung (ZT) des geschichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches eine Nacheinspritzung (MN) mit einer dritten Kraftstoffmenge in den Brennraum (18) eingespritzt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Momentenabgabe der Brennkraftmaschine (10) durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung (MS) und das Verhältnis der zweiten Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung (MS) zu der gesamten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung (MH, MS) geregelt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Momentenabgabe der Brennkraftmaschine (10) durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung (MS), korrigiert um den an der Verbrennung teilnehmenden Anteil der ersten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung (MH) geregelt wird.
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