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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, insbesondere eines Ottomotors, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei konventionellen Brennkraftmaschinen entstehen nach dem Kaltstart durch die schlechte Gemischaufbereitung im kalten Brennraum hohe Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen. Um die vom Gesetzgeber aktuell und zukünftig vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte zu unterschreiten, muss der Katalysator nach dem Kaltstart möglichst schnell eine Arbeitstemperatur erreichen, bei der eine ausreichende Schadstoffkonvertierung gesichert ist. Diese Arbeitstemperatur des Katalysators wird im Allgemeinen als Light-Off-Temperatur bezeichnet.
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Während einer Startphase einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung wird die Brennkraftmaschine daher konventionell nach einem Kaltstart mit einem fetten Ladungsgemisch betrieben, um eine ausreichende Entflammungssicherheit des im Brennraum gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches zu gewährleisten und einen für die Abgasnachbehandlung vorgesehenen Katalysator aufzuheizen.
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Außerdem soll eine ausreichende Laufruhe der Brennkraftmaschine gewährleistet sein.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Strategien zur schnellen Aufheizung eines Katalysators nach dem Kaltstart bekannt. Zur Erzielung hoher Abgastemperaturen und gleichzeitig minimaler Schadstoffemissionen ist es dabei üblich, eine späte Verbrennungslage, d. h. einen späten Zündzeitpunkt zu wählen. Diese späten Zündzeitpunkte sind bei kalten Motoren aber besonders instabil, was zu einer schlechten Laufruhe der Brennkraftmaschine führt.
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Außerdem beschreiben verschiedene Druckschriften die Aufteilung der Kraftstoffeinspritzmenge in mehrere Kraftstoffeinspritzungen, wobei die Haupteinspritzung zumeist im Ansaugtakt der Brennkraftmaschine, d. h. zum Beispiel im Bereich von etwa 250° bis 320°KW (Kurbelwinkel) vor einem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT), und eine weitere Kraftstoffeinspritzung unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) erfolgt. Beispielhaft seien hier die Patentveröffentlichungen
DE 197 46 519 A1 ,
DE 100 42 937 A1 und
DE 103 05 941 A1 genannt.
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In der
DE 103 42 703 B4 und
DE 103 35 016 B4 wird ein Verfahren umfassend einen Direktstart einer Brennkraftmaschine offenbart, wobei in einen erster Kolben, der sich im Arbeitstakt befindet, ein Kraftstoff-Gas-Gemisch eingespritzt und gezündet wird. Dadurch werden der erste Kolben sowie die Kolben, die mit dem ersten Kolben über eine Kurbelwelle verbunden sind, in Bewegung gesetzt.
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Bei dem auch als „Homogen Splitt” bekannten Verfahren zum schnellen Aufheizen des Katalysators, wie es zum Beispiel in der
DE 103 05 941 A1 der Anmelderin offenbart ist, wird in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (etwa 330° bis 220°KW vor ZOT) eine Kraftstoffvoreinspritzmenge zum Bilden eines mageren, homogenen Kraftstoff/Luft-Gemisches im Brennraum eingespritzt, nachfolgend wird in einem Arbeitshub der Brennkraftmaschine (etwa 10° bis 30°KW nach ZOT) eine Kraftstoffhaupteinspritzmenge zum Bilden einer fetten, geschichteten Kraftstoff/Luft-Gemischwolke in der Nähe der Zündkerze eingespritzt, und anschließend wird unmittelbar nach dem Ende (etwa 2° bis 10°KW später) der Kraftstoffhaupteinspritzung die geschichtete Kraftstoff/Luft-Gemischwolke gezündet.
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Ein weiteres Beispiel zur schnellen Erreichung einer Aktivierungstemperatur eines Katalysators wird in der
DE 699 21 440 T2 beschrieben. Während eines Zeitraums zwischen einem Ansaugtakt bis zu einem Zündpunkt wird die Einspritzung in zwei Schritte aufgeteilt. Dieser Vorgang hat eine schnelle Steigerung der Abgastemperatur zur Folge.
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Ausgehend von den oben genannten Strategien ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung bereitzustellen, mit dem nach einem Kaltstart ein schnelles Aufheizen eines Katalysators und gleichzeitig eine gute Laufruhe der Brennkraftmaschine gewährleistet sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung nach dem Kaltstart, bei welchem einem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt wird, in den Brennraum mittels eines Kraftstoffinjektors Kraftstoff eingespritzt wird und ein in dem Brennraum gebildetes Kraftstoff/Luft-Gemisch mittels einer Zündkerze zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt gezündet wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in einem Kompressionstakt der Brennkraftmaschine eine erste Kraftstoffeinspritzung mit einer Haupteinspritzmenge erfolgt, mit der im Brennraum ein mageres Kraftstoff/Luft-Verhältnis gebildet wird; und dass in einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt eine zweite Kraftstoffeinspritzung erfolgt, mit der in der Nähe der Zündkerze ein fettes Kraftstoff/Luft-Verhältnis gebildet wird.
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Durch die nach spät verschobene Verbrennungslage (Zündzeitpunkt im Arbeitstakt) werden die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom vergrößert. Um eine Verschlechterung der Laufruhe der Brennkraftmaschine aufgrund schlechter Entflammungsbedingungen wegen dieser Spätverschiebung zu vermeiden, wird die Kraftstoffeinspritzung in zwei Pulse aufgeteilt. Durch die erste Kraftstoffeinspritzung im Kompressionstakt wird gezielt eine Ladungsschichtung erzeugt, mit der es im Vergleich zum homogenen Hintergrundgemisch bei dem „Homogen Splitt”-Verfahren zu deutlich weniger Wandbenetzung und damit auch zu weniger HC-Emissionen kommt. In der Mitte des Brennraums wird außerdem eine Gemischwolke erzeugt, die vergleichsweise fett ist, was zu besseren Verbrennungsbedingungen und damit zu einem schnelleren und stabileren Durchbrennen führt.
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Das mittlere Kraftstoff/Luft-Verhältnis im gesamten Brennraum ist nach der zweiten Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise leicht mager und beträgt vorzugsweise etwa 1,02 bis 1,15, insbesondere 1,05.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Zündzeitpunkt etwa 10° bis 35°KW nach einem oberen Zünd-Totpunkt und etwa 0° bis 10°KW nach dem Ende der zweiten Kraftstoffeinspritzung. Die erste Kraftstoffeinspritzung kann 10° bis 100°KW, insbesondere etwa 30° bis 60°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgen, während die zweite Kraftstoffeinspritzung 0° bis 35°KW, insbesondere etwa 25° bis 30°KW nach dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, die erste Kraftstoffeinspritzung und/oder die zweite Kraftstoffeinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen durchzuführen.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, bei welcher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
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2A bis C Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung nach einem Kaltstart (2C) und zum Vergleich mit einem konventionellen Verfahren (2A) und einem bekannten „Homogen Splitt”-Verfahren (2B);
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3 ein Diagramm einer zeitlichen Entwicklung der Katalysatortemperatur nach einem Kaltstart für das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu dem bekannten „Homogen Splitt”-Verfahren; und
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4 ein Diagramm einer zeitlichen Entwicklung der HC-Emissionen vor einem Stirnwandkatalysator nach einem Kaltstart für das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu dem bekannten „Homogen Splitt”-Verfahren.
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1 zeigt stark vereinfacht einen Zylinder 12 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 10 mit Kraftstoffdirekteinspritzung. In dem Zylinder 12 wird ein Brennraum 14 durch einen Kolben 16 und einen den Zylinder 12 verschließenden Zylinderkopf 18 begrenzt. Im Zylinderkopf 18 ist zentral ein Kraftstoffinjektor 20 angeordnet, mit welchem durch eine Düsenöffnung 22 Kraftstoff in den Brennraum 14 eingespritzt werden kann. Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) bestimmt während einer Startphase der Brennkraftmaschine 10 u. a. die Einspritzzeitpunkte des Kraftstoffs mit den zugehörigen Kraftstoffmengen und einen Zündzeitpunkt, an dem mittels einer Zündkerze 24 oder dergleichen ein im Brennraum gebildetes Kraftstoff/Luft-Gemisch gezündet wird.
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Bei der Freigabe der Düsenöffnung 22 des Kraftstoffinjektors 20 wird der Kraftstoff in Form eines Kegelstrahls 26 mit einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 110° in den Brennraum 14 eingespritzt. Die Positionierung der Zündkerze 24 im Brennraum 14 ist derart gewählt, dass die Elektroden 28 der Zündkerze 24 durch den eingespritzten Kraftstoffkegel 26 nicht benetzt werden.
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Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 arbeitet vorzugsweise nach dem Viertakt-Prinzip. In einem ersten Takt eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 10, dem so genannten Ansaughub, wird dem Brennraum 14 durch einen Einlasskanal (nicht dargestellt) Verbrennungsluft zugeführt. Dabei bewegt sich der Kolben 16 in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt. In einem anschließenden Kompressionshub der Brennkraftmaschine 10 bewegt sich der Kolben 16 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt ZOT. In einem nachfolgenden Expansions- oder Arbeitshub bewegt sich der Kolben 16 in einer Abwärtsbewegung wieder bis zu einem unteren Totpunkt; und in einem vierten Ausschiebehub fährt der Kolben 16 in einer Aufwärtsbewegung bis zu einem oberen Totpunkt, um dabei die Abgase aus dem Brennraum 14 auszuschieben.
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Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 10 den Katalysator möglichst schnell auf eine ausreichende Arbeitstemperatur aufzuheizen, um eine ausreichende Konvertierung der Schadstoffemissionen im Katalysator zu erreichen, und gleichzeitig eine gute Laufruhe der Brennkraftmaschine 10 zu gewährleisten. Dies wird dadurch erreicht, dass ein sehr später Zündzeitpunkt ZT bei dennoch sicherer Entflammung des Kraftstoff/Luft-Gemisches 30 im Brennraum 14 und ausreichender Laufruhe der Brennkraftmaschine ermöglicht wird.
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In 2C ist das erfindungsgemäße Verfahren über dem Kurbelwinkel (in °KW) der Brennkraftmaschine veranschaulicht; und 2A und 2B zeigen zum Vergleich ein konventionelles Verfahren und das oben beschriebene, bekannte „Homogen Splitt”-Verfahren.
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Wie in 2C dargestellt, ist der Zündzeitpunkt ZT nach spät verschoben und liegt bei etwa 10 bis 35°KW nach dem oberen Zünd-Totpunkt ZOT, um den durch die Verbrennung erzeugten Abgaswärmestrom zu erhöhen. Hierdurch werden die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom bei konstantem indiziertem Mitteldruck ebenfalls vergrößert. Ein derart später Zündzeitpunkt ZT kann zunächst zu einer Verschlechterung der Laufruhe infolge schlechter Entflammungsbedingungen führen.
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Um die Entflammung zu stabilisieren wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren die Kraftstoffeinspritzung wie folgt in zwei Pulse aufgeteilt. Ein erster Puls M1 mit der Kraftstoffhauptmenge wird im Kompressionstakt der Brennkraftmaschine 10 (60° bis 30°KW vor ZOT) so abgesetzt, dass im Brennraum 14 ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch (λ > 1) entsteht.
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Hierdurch wird gezielt eine Ladungsschichtung erzeugt, die den Vorteil einer deutlich geringeren Wandbenetzung und HC-Emission im Vergleich zu dem durch eine erste Kraftstoffeinspritzung M1 erzeugten homogenen Hintergrundgemisch im Fall des „Homogen Splitt”-Verfahrens (2B). Bei einem gleichen mittleren Kraftstoff/Luft-Verhältnis λ im gesamten Brennraum 14 vor dem Zündzeitpunkt ZT von etwa 1,05 wird außerdem in der Brennraummitte eine Gemischwolke gebildet, die nicht so mager wie bei einem homogenen Gemisch ist. Durch diese Konzentration des vergleichsweise fetten brennbaren Gemisches in der Brennraummitte entstehen bessere Verbrennungsbedingungen, die zu einem schnelleren und stabileren Durchbrennen führen.
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Mit einer zweiten Kraftstoffeinspritzung M2 im Arbeitstakt der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar, d. h. etwa 0° bis 10°KW vor dem Zündzeitpunkt ZT wird eine fette Gemischwolke (λ < 1) in der Nähe der Zündkerze 24 bzw. deren Elektroden 28 erzeugt, was zu sehr stabilen Entflammungsbedingungen führt. Durch die so erzielten stabilen Entflammungsbedingungen kann ein sehr später Zündzeitpunkt ZT mit sehr guter Laufruhe gefahren werden.
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Das mittlere Kraftstoff/Luft-Verhältnis λ im gesamten Brennraum 14 nach der zweiten Kraftstoffeinspritzung M2 beträgt vorzugsweise etwa 1,05, sodass gute Bedingungen zur Nachoxidation der HC- und CO-Emissionen selbst ohne ein Sekundärluftsystem existieren.
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Zur Verdeutlichung der Vorteile des Verfahrens zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung werden nachfolgend die 3 und 4 erläutert.
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3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Katalysatortemperaturen für das erfindungsgemäße Verfahren (Kurve a) und zum Vergleich für das herkömmliche „Homogen Splitt”-Verfahren (Kurve b). Es ist erkennbar, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein deutlich schnellerer Anstieg der Katalysatartemperaturen erfolgt. Dies hat zum einen mit dem späten Zündzeitpunkt ZT mit der stabilisierten Entflammung zu tun, zum anderen findet auch eine deutlich bessere Nachoxidation der HC- und CO-Emissionen statt. Dies ist eine Folge der geringeren Wandbenetzung bei der ersten Kraftstoffeinspritzung M1, wodurch die unverbrannten Kohlenwasserstoffe besser aufbereitet werden und so leichter nachzuoxidieren sind. Die stärkere Nachoxidation auf der Strecke vom Brennraum 14 zum Katalysator setzt auch Wärme frei, was sich positiv in der Katalysatoraufheizung niederschlägt.
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Diese verbesserte Nachoxidation in Verbindung mit den geringeren Rohemissionen beim Aufheizen des Katalysators mit dem erfindungsgemäßen Verfahren führen zu den in 4 veranschaulichten Emissionsreduzierungen. Auch in 4 zeigt die Kurve a den zeitlichen Verlauf für das erfindungsgemäße Verfahren, während die Kurve b zum Vergleich den zeitlichen Verlauf für das bekannte „Homogen Splitt”-Verfahren zeigt.
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Durch die Kombination der in 3 und 4 veranschaulichten Effekte werden die Emissionen nach den Katalysatoren sehr stark gesenkt. Der Katalysator erreicht seine Arbeitstemperatur viel früher, sodass die Konvertierung der Schadstoffemissionen ebenfalls früher einsetzt, und zum anderen sind die Emissionen selbst deutlich reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Zylinder
- 14
- Brennraum
- 16
- Kolben
- 18
- Zylinderkopf
- 20
- Kraftstoffinjektor
- 22
- Düsenöffnung von 20
- 24
- Zündkerze
- 26
- Kegelstrahl
- 28
- Elektroden
- 30
- Ladungswolke
- M1
- erste Kraftstoffeinspritzung
- M2
- zweite Kraftstoffeinspritzung
- ZT
- Zündzeitpunkt
- ZOT
- oberer Zünd-Totpunkt
- KW
- Kurbelwinkel
- λ
- Kraftstoff/Luft-Verhältnis
