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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine.
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Bei herkömmlichen Betriebsverfahren derartiger Brennkraftmaschinen, die auch als Ottomotoren bezeichnet werden, werden zwei Hauptbetriebsarten unterschieden. Bei hohen Lasten wird der Motor im sogenannten Homogenbetrieb betrieben, bei dem die gesamte Kraftstoffmasse in den Saugtakt des Motors eingespritzt wird und sich bis zum Zündzeitpunkt gleichmäßig im Brennraum verteilt. Im gesamten Brennraum herrscht das gleiche Kraftstoff/Luft-Verhältnis, das aus Gründen der Abgasreinigung zumindest näherungsweise stöchiometrisch sein sollte.
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Bei niedrigen Lasten können direkteinspritzende Ottomotoren im sogenannten Schichtbetrieb betrieben werden. Beim direkteinspritzenden Ottomotor mit strahlgeführtem Brennverfahren wird die gesamte Kraftstoffmasse unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt eingespritzt, um im Bereich der Zündkerze einen definierten Einspritzstrahl zu erzeugen. Bei höheren Lasten beginnt jedoch die Partikelemission im Schichtbetrieb stark anzusteigen, da das Frischgemisch im Bereich der Zündkerze sehr fett wird, obwohl das Kraftstoff/Luft-Verhältnis gemittelt über das gesamte Zylindervolumen immer noch deutlich mager ist. Die sogenannte Rußgrenze, also die Last, bei der die Partikelemission des Motors inakzeptabel hoch wird, begrenzt beim direkteinspritzenden Ottomotor den im Schichtbetrieb möglichen Lastbereich zu hohen Lasten hin.
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Da der Motor im Schichtbetrieb mit sehr hohem Luftüberschuß betrieben wird, können sich bei niedrigen Lasten sehr niedrige Abgastemperaturen einstellen. Dies führt bei den üblichen Abgasreinigungsmethoden mit Oxidations- oder 3-Wege-Katalysatoren zu Problemen, da die Katalysatortemperatur unter die auch als Light-Off-Temperatur bezeichnete Grenztemperatur des Katalysators abfallen kann, unterhalb derer der Katalysator seine Wirkung nicht entfalten kann. Der Katalysator ist in diesem Falle nicht mehr in der Lage, Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid aufzuoxidieren. Dies führt dazu, daß Maßnahmen zur Erwärmung des Katalysators beispielsweise durch Umschalten in den Homogenbetrieb getroffen werden müssen. Dies bedeutet aber einen beträchtlichen Mehrverbrauch bzw. den Verlust eines Teiles des Kraftstoff-Einsparpotentials des direkteinspritzenden Ottomotors.
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Des Weiteren wird zur Einsparung von Kraftstoff und zur Verringerung des Schadstoffausstoßes ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit hohem Luftüberschuß bzw. mit einem hohen Gehalt an Inertgas angestrebt. Letzteres wird beispielsweise durch Abgasrückhaltung bzw. Abgasrückführung in den Zylinderinnenraum erreicht. Hierdurch kann der Motor mit höheren Ladungsmassen bzw. höheren Saugrohrdrücken betrieben werden, was zu einer Reduzierung der Drosselverluste im Homogenbetrieb und damit zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt. Durch einen hohen Inertgasgehalt im Brennraum kann die Brennraumtemperatur gesenkt und damit die Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung reduziert werden. Der Bereich, in dem der Motor mit hohen Inertgasgehalten betrieben werden kann, wird jedoch durch die Laufruhe begrenzt, die im konventionellen Homogenbetrieb mit steigendem Inertgasanteil stark abnimmt.
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Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Betriebsverfahren eines Ottomotors liegt im Kaltstart und der nachfolgenden Kaltlaufphase. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes werden direkteinspritzende Ottomotoren im Homogenbetrieb betrieben. Da die Brennraumwände nach dem Kaltstart noch sehr kalt sind, lagern sich große Mengen des in den Saugtakt eingespritzten Kraftstoffs an den Brennraumwänden und am Kolbenboden an. Dieser nicht von der Verbrennung erfasste Kraftstoff führt zu großen Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe bzw. Partikelemissionen.
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Eine angepasste, betriebspunktabhängige Umschaltung zwischen den vorbekannten Homogen- und Schichteinspritzverfahren führt in der Umschaltphase zu weiteren Wirkungsgradverlusten bzw. zur Erhöhung des Schadstoffausstoßes.
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Aus den zum Anmeldezeitpunkt noch nicht veröffentlichten Patentanmeldungen
DE 10 2004 017 988 A1 und
DE 10 2004 017 989 A1 , sowie der Patentanmeldung
US 2006/0 000 440 A1 ist bereits bekannt, nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine die in den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge auf zwei Einspritzmengen aufzuteilen, wobei eine Voreinspritzung im Ansaughub der Brennkraftmaschine sowie eine Haupteinspritzung, mit welcher im Bereich der Zündkerze ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird, erfolgt. Auch bei diesen Verfahren schlägt sich allerdings immer noch zu viel Kraftstoff an den kalten Brennraumwänden nieder.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine mit über einen erweiterten Bereich verringertem Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel bestimmt wird, bei dem eine erste Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Zylinder ein Magergemisch erzeugt wird, dessen örtliches Luftverhältnis > 1,0 ist. Nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein weiterer Kurbelwinkel bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Zylinder ein im Vergleich zum Magergemisch fettere und im Magergemisch eingebettete Gemischwolke erzeugt wird, deren örtliches Luftverhältnis kleiner als oder gleich 1,0 ist. Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt eine dritte Einspritzung von Kraftstoff in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze angefetteten und zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches.
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Beim vorgeschlagenen Verfahren entsteht zum Zündzeitpunkt trotz eines insgesamt hohen Luftüberschusses eine fette Ladungswolke an der Zündkerze. Zusätzlich werden durch die Ausbildung eines definierten Einspritzstrahls der dritten Einspritzung zum Zündzeitpunkt optimale Entflammungsbedingungen gewährleistet. Dies hat eine sichere Entflammung des Frischgemisches zur Folge. Die Laufruhe ist auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen wie hoher Inertgasgehalt, hoher Luftüberschuß im Brennraum oder niedrigen Brennraumtemperaturen sehr gut. Es ist die Möglichkeit eröffnet, durch geschickte Wahl der Einspritzzeitpunkte den Motor mit Kraftstoff/Luft-Verhältnissen im Bereich zwischen stöchiometrisch (λ = 1) und sehr mager (λ > 4) zu betreiben. Aus dem hohen Luftüberschuß bei magerem Betrieb resultiert ein höherer Saugrohrdruck. Durch den höheren Saugrohrdruck werden einerseits die Drosselverluste reduziert, was zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führt. Dadurch können beim Betrieb des Motors mit hohem Luftüberschuß dieselben Verbrauchswerte wie im Schichtbetrieb erreicht werden. Andererseits ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren durch den hohen Saugrohrdruck beim Betrieb mit großem Luftüberschuß eine schnelle Betriebsartenumschaltung, da bei der Umschaltung vom Schichtbetrieb in die vorgeschlagene Betriebsart nicht erst das Saugrohr entleert werden muß, wie es bei der Umschaltung in den konventionellen Homogenbetrieb erforderlich wäre.
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Des Weiteren ist auch die Möglichkeit eröffnet, den Motor mit hohen Inertgasmassen im Brennraum zu betreiben. Durch die gezielte Plazierung des Kraftstoffes im Brennraum kann die Inertgasverträglichkeit des Motors erhöht werden. Durch eine größere Inertgasmenge, die entweder durch geeignete Nockenwellenpositionen oder auch durch externe Abgasrückführung in den Brennraum eingebracht werden kann, kann eine deutliche Reduzierung der Drosselverluste und somit des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann auch dazu genutzt werden, nach dem Kaltstart bei niedrigen Temperaturen eine starke Benetzung der kalten Brennraumwände und des kalten Kolbenbodens zu vermeiden, da die erste Einspritzung des Magergemisches nur geringe Kraftstoffmengen in Kontakt mit den kalten Motorteilen kommen läßt. Durch die Reduzierung der ersten Einspritzmenge schlägt sich weniger Kraftstoff an den kalten Bauteilen nieder. Dies hat eine starke Reduzierung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe zur Folge, da der angelagerte Kraftstoff nicht von der Verbrennung erfaßt, sondern unverbrannt in den Auslaßkanal ausgeschoben wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung werden im zumindest näherungsweise gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine die drei vorgenannten Einspritzungen ausgeführt. Eine Betriebsartenumschaltung ist nicht erforderlich. Vielmehr erfolgt eine Anpassung an die unterschiedlichen Lastverhältnisse allein durch Wahl unterschiedlicher Einspritzzeitpunkte und -mengen.
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Bei geringerer Motorlast erfolgt die erste und die zweite Einspritzung bevorzugt jeweils als Schichteinspritzung in einem Kompressionstakt. Vorteilhaft wird die erste Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 70° vor einem oberen Zündtotpunkt und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt durchgeführt. Wegen der geringen Last kann die erste Einspritzmenge vergleichsweise klein gehalten werden. Durch die Einspritzung im Kompressionstakt wird eine homogene Verteilung auf das gesamte Zylindervolumen und damit eine unzulässige, die Brennbarkeit beeinträchtigende Abmagerung vermieden. Die zweite Einspritzung im Kompressionstakt relativ kurz vor dem Zündzeitpunkt gewährleistet, daß der Kraftstoff zentral im Bereich der Zündkerze zusammengehalten wird. Die dritte Einspritzung als Schichteinspritzung in unmittelbarer Nähe zum Zündzeitpunkt gewährleistet eine sichere Entflammbarkeit, die sich von dort über die fettere Gemischwolke auf das Magergemisch ausbreitet.
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Bei mittlerer und/oder hoher Motorlast wird vorteilhaft die erste Einspritzung als Homogeneinspritzung in einen Ansaugtakt, und die zweite Einspritzung als Schichteinspritzung in den Kompressionstakt ausgeführt. Bei mittleren Lasten haben sich Einspritzzeitpunkte als vorteilhaft herausgestellt, bei denen die erste Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 60° vor dem oberen Zündtotpunkt beginnt. Bei höheren Lasten bzw. bei Vollast beginnt die erste Einspritzung zweckmäßig bei einem Kurbelwinkel von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 180° vor dem oberen Zündtotpunkt. Abhängig von der an der Brennkraftmaschine anliegenden Last können die vorgenannten Einspritzzeiten beliebig und kontinuierlich ineinander übergeführt werden.
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Bei mittleren und insbesondere bei hohen Lasten muß im Gegensatz zum Betrieb bei niedrigen Lasten gewährleistet sein, daß der durch die erste und die zweite Einspritzung in den Brennraum eingebrachte Kraftstoff ausreichend gut mit der Frischluft vermischt ist, um eine übermäßig fette Verbrennung und somit eine hohe Partikel- und Kohlenmonoxidemission zu vermeiden. Durch die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge in den Ansaugtakt kann hier eine für die höheren Lasten erforderliche größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden, ohne eine lokale Überfettung zu erzeugen. Die für die vorgesehene Gesamtmenge erforderliche Restmenge an Kraftstoff wird in der zweiten und der dritten Einspritzung zugefügt. Auch die hier entstehende Gemischwolke weist zwar ein hohes, jedoch nicht übermäßig fettes Kraftstoff/Luft-Verhältnis auf, was eine sichere Entflammung ohne übermäßige Partikelemission ermöglicht. Die dritte, eine sichere Zündung auch bei extremen Betriebsbedingungen sicherstellende Einspritzung, erfolgt annähernd genauso wie bei niederen Lasten. Durch den höheren Brennraumdruck bei höheren Lasten muß die Einspritzmenge eventuell leicht vergrößert werden, da zur Strahlausbildung bei höheren Brennraumdrücken größere Kraftstoffmengen notwendig sein können.
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Das Luftverhältnis des Magergemisches ist vorteilhaft derart gewählt, daß ein brennfähiges, aber nicht zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht. Dies trägt zur Verbrauchs- und Schadstoffreduzierung bei. Trotz der mittels der Zündkerze nicht erreichbaren Zündfähigkeit wird eine sichere Entflammung durch die eingebettete fettere Gemischwolke und damit ein sauberer Motorlauf auch bei extremen Betriebsbedingungen wie hohem Luftüberschuß oder hohem Inertgasgehalt sichergestellt.
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Das Luftverhältnis der fetteren Gemischwolke ist bevorzugt derart gewählt, daß ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht, ohne jedoch eine übermäßige Partikelemission zu erzeugen. Nach erfolgter Zündung der Gemischwolke breitet sich die Flammfront von hier aus auf das Magergemisch aus und verbrennt dieses mit.
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In bevorzugter Ausführung sind die Einspritzmengen aller drei Einspritzungen derart aufeinander abgestimmt, daß das über das Zylindervolumen gemittelte entstehende globale Luftverhältnis in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis einschließlich etwa 4,0 oder sogar noch darüber liegt. Alternativ oder in Kombination dazu kann es zweckmäßig sein, zu Beginn der Verbrennung beispielsweise durch Abgasrückführung oder -rückhaltung einen entsprechend hohen Inertgasanteil vorzusehen. Niedriger Kraftstoffverbrauch und niedrige Emissionswerte sind über einen weiten Betriebsbereich erreichbar.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist zumindest eine der vorgenannten drei Einspritzungen als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt. Bei einem entsprechenden, beispielsweise in Piezobauweise ausgeführten Injektor können eine oder mehrere der vorgenannten drei Einspritzungen in kurze, nur wenige Millisekunden lange Teileinspritzungen aufgeteilt werden. Dies erlaubt eine präzise Anpassung der Ladungsschichtung an den jeweiligen Lastfall. Bei einer Ausführung der dritten Einspritzung als Mehrfacheinspritzung besteht die Möglichkeit, den Zündzeitpunkt zwischen zwei kurze Einzeleinspritzungen zu legen und damit die Zündwilligkeit und Flammausbreitung zu beeinflussen.
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Im Unterschied zu den ersten beiden Einspritzungen, deren Zeitpunkt in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel gewählt wird, wird der Zeitpunkt der dritten Einspritzung vorteilhaft an den Zündzeitpunkt angepaßt bzw. an ihn gekoppelt. Mit der vorrangig drehzahlabhängig gewählten Einstellung des Zündzeitpunktes und dem daran gekoppelten Zeitpunkt der Einspritzung ist sichergestellt, daß bei unterschiedlichen Zündzeitpunkten immer der Einspritzstrahl der dritten Einspritzung vom Zündfunken erfaßt wird. Bei verschiedenen Drehzahlen und Zündzeitpunkten wird eine sichere Zündung sichergestellt, die sich auf die Kraftstoffmengen der zweiten und ersten Einspritzung überträgt.
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Ein Einspritzende der dritten Einspritzung liegt bevorzugt im Bereich des Zündzeitpunktes und insbesondere zwischen einschließlich 0° und einschließlich 10° Kurbelwinkel vor dem Zündzeitpunkt. Dieser Bereich hat sich für eine sichere Zündung und anschließende Verbrennung als vorteilhaft herausgestellt.
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Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Einsparung von Kraftstoff durch den Betrieb des direkteinspritzenden Ottomotors mit hohem Luftüberschuß oder hohen Inertgasgehalten durch Reduzierung der Drosselverluste erreicht werden. Es ergibt sich eine Erweiterung des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine, in dem der direkteinspritzende Ottomotor bei akzeptablen Schadstoffemissionen mit Luftüberschuß betrieben werden kann. Im Gegensatz zum konventionellen Schichtbetrieb beim direkteinspritzenden Ottomotor ist eine freie Wählbarkeit des Zündzeitpunktes und der Androsselung zur Vermeidung eines Katalysator-Auskühlens aufgrund zu niedriger Abgastemperaturen gegeben. Nach einem Kaltstart bei extrem niedrigen Temperaturen ist ein sicherer Betrieb bei reduzierter Partikel-, Kohlenstoffmonoxid- und Kohlenwasserstoffemission möglich. Der stark entdrosselte Betrieb erlaubt eine schnellere Betriebsartenumschaltung. Das Inertgas im Brennraum führt zu einer deutlichen Reduzierung der Stickoxidemissionen infolge der Reduzierung der Verbrennungstemperatur. Allenfalls entsteht nur sehr lokal an der Zündkerze eine heiße Verbrennung. Hierdurch sind auch Verbrauchsvorteile infolge weniger notwendiger Regenerationen des NOX-Speicherkatalysators erzielbar. Auch ist eine Verbesserung der Laufruhe im Betrieb mit Luftüberschuß durch verringerte Gradienten des Brennraumdrucks infolge einer im Vergleich zum konventionellen Schichtbetrieb langsameren Verbrennung erzielbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Schemadarstellung einer Brennkraftmaschine im Bereich eines angedeuteten Zylinders mit einem Injektor, einer Zündkerze und einem Steuergerät, wobei der Zylinder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Teillast in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt ist;
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2 eine Diagrammdarstellung der in erfindungsgemäßer Weise bei verschiedenen Kurbelwinkeln in der Anordnung nach 1 bei Teillast vorgesehenen Einspritzungen;
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3 die Anordnung nach 1 im niedrigen Lastbereich mit jeweils als Schichteinspritzung eingeführten Kraftstoffmengen;
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4 die Diagrammdarstellung entsprechend 2 mit der Darstellung der einzelnen Einspritzungen in der Brennkraftmaschine nach 3 bei geringer Last;
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5 die Anordnung nach den 1 und 3 bei Vollast mit einer mageren Homogenladung und einer darin eingebetteten fetteren Gemischwolke;
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6 eine Diagrammdarstellung der bei verschiedenen Kurbelwinkeln vorgenommenen Einspritzungen in der Brennkraftmaschine nach 5 bei Vollast.
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Die 1, 3 und 5 zeigen in einer schematischen Darstellung ausschnittsweise die gleiche fremdgezündete, direkteinspritzende 4-Takt-Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders 4 in verschiedenen Betriebszuständen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel des hier gezeigten Zylinders 4 gezeigt. Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder 4 mit je einem darin zyklisch auf und ab bewegten Kolben 17 aufweisen. Der Zylinder 4 ist in seiner Längsrichtung auf der dem Kolben 17 gegenüberliegenden Seite durch einen Zylinderkopf 19 verschlossen, wobei dessen Innenraum in Gegenrichtung durch den Kolben 17 begrenzt ist. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolben 17 und daran gekoppelte Steuerzeiten von nicht dargestellten Ein- und Auslaßventilen werden insgesamt vier in zyklischer Abfolge aneinandergereihte, im Zusammenhang mit den 2, 4 und 6 näher beschriebene Verfahrenstakte der Brennkraftmaschine vorgegeben.
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Zur Einspritzung von Kraftstoff 2 in den Zylinder 4 ist ein Injektor 3 vorgesehen, der mittels eines schematisch angedeuteten Steuergerätes 16 betätigt wird. Der in den Zylinder 4 eingespritzte Kraftstoff 2 bildet zusammen mit in einem Ansaugtakt 6 (2, 4 und 6) angesaugtem Frischluftvolumen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches zu einem geeigneten Zeitpunkt durch eine im Zylinderkopf 19 angeordnete Zündkerze 5 gezündet wird. Entsprechend der schematischen Darstellung nach den 1, 3 und 5 wird neben der Einspritzung durch den Injektor 3 auch die Zündung durch die Zündkerze 5 mittels des Steuergerätes 16 gesteuert. Die Zündung bewirkt eine Entflammung und Verbrennung des im Zylinder 4 befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches. Das daraus entstehende Abgas wird mittels eines oder mehrerer nicht dargestellter Auslaßventile durch einen Abgaskanal 18 aus dem Zylinder 4 herausgeleitet und zur Nachbehandlung durch einen Abgaskatalysator 1 hindurchgeführt. Der Abgaskatalysator 1 kann von beliebiger geeigneter Bauweise sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Drei-Wege-Stirnwandkatalysator.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der hier gezeigten fremdgezündeten Brennkraftmaschine werden insgesamt drei Einspritzungen 9, 10, 11 von Kraftstoff 2 mittels des Injektors 3 vorgenommen, die im Zusammenhang mit den 2, 4 und 6 näher beschrieben sind. Die 2, 4 und 6 zeigen hierzu jeweils eine Diagrammdarstellung von verschiedenen Einzelabläufen des erfindungsgemäßen Verfahrens bei verschiedenen Lastzuständen abhängig von einem Kurbelwinkel α einer nicht dargestellten Kurbelwelle, die die axiale Position des Kolbens 17 im Zylinder 4 (1, 3 und 5) vorgibt. Ein Kurbelwinkel α von 0° gibt einen oberen Zündtotpunkt ZOT vor, in dem der Zylinderinnenraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthält, in dem die nicht dargestellten Ein- und Auslaßventile geschlossen sind, und in dem der in 1 dargestellte Kolben 17 in seiner dem Zylinderkopf 19 nächstkommenden Axialposition, das im Zylinder 4 befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimiert hat. Im Bereich des oberen Zündtotpunktes ZOT wird eine Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels der Zündkerze 5 (1, 3 und 5) vorgenommen.
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Ein erster Takt des 4-Takt-Verfahrens ist ein Saugtakt 6, der sich über einen Kurbelwinkelbereich α von 360° bis 180° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT erstreckt. Daran schließt sich ein Kompressionstakt 7 an, der über einen Kurbelwinkelbereich α von 180° bis 0° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT verläuft. Nachfolgend verläuft ein Arbeitstakt 8 vom oberen Zündtotpunkt ZOT mit einem Kurbelwinkel α von 0° bis 180°, an den sich ein Auslaßtakt 22 von 180° bis 360° Kurbelwinkel α nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT anschließt. Das Ende des Auslaßtaktes 22 bei einem Kurbelwinkel α von 360° nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT entspricht dem Beginn eines nachfolgenden Ansaugtaktes 6 bei einem Kurbelwinkel α von 360° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT.
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Die nicht dargestellten Einlaßventile führen einen Ventilhub h entsprechend einer Kurve 20 aus, die sich größtenteils über den Ansaugtakt 6 erstreckt und noch teilweise in den Kompressionstakt 7 hineinreicht. Bei einem Ventilhub h größer 0 der Einlaßventile wird Frischluft, gegebenenfalls durch einen Lader unterstützt, ins Innere des Zylinders 4 (1, 3 und 5) angesaugt. Entsprechendes gilt für die Ausleitung von Abgasen aus dem Zylinder 4, wobei ein Ventilhub h der nicht dargestellten Auslaßventile durch eine Kurve 21 dargestellt ist. Demnach sind die Auslaßventile im Wesentlichen über den Auslaßtakt 22 geöffnet, wobei die Öffnung der Auslaßventile bereits schon gegen Ende des Arbeitstaktes 8 beginnt. Bei geöffneten Auslaßventilen wird das entstehende Abgas durch den in 1 angedeuteten Abgaskanal 18 und den nachgeordneten Abgaskatalysator 1 geleitet.
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Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es zweckmäßig sein, eine Füllung des Zylinders 4 mit einer erhöhten Menge an Inertgas zu versehen. Hierzu ist eine schematisch angedeutete Abgasrückführung 24 vorgesehen, die unter Einwirkung des Steuergerätes 16 eine vorgegebene Menge von Abgas in den Zylinder 4 rückführt. Ein erhöhter Gehalt von Inert- bzw. Abgas kann auch durch entsprechend eingestellte, ggf. gesteuerte bzw. geregelte Ventilsteuerzeiten herbeigeführt werden.
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Aus der Zusammenschau aller Figuren ergibt sich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel α1 bestimmt, bei dem eine erste Einspritzung 9 von Kraftstoff 2 erfolgt, durch die im Zylinder 4 ein Magergemisch 13 erzeugt wird. Das örtliche Luftverhältnis λ1 des Magergemisches 13 ist größer 0 und bevorzugt derart gewählt, daß ein brennfähiges, aber nicht zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht. Nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel α2 bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung 10 von Kraftstoff 2 erfolgt, durch die im Zylinder 4 eine im Vergleich zum Magergemisch 13 fettere und im Magergemisch 13 eingebettete Gemischwolke 14 erzeugt wird.
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Innerhalb der Gemischwolke 14 herrscht ein örtliches Luftverhältnis λ2, welches kleiner als oder gleich 1,0 ist. Das Luftverhältnis λ2 der Gemischwolke 14 ist derart gewählt, daß ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Gemischwolke 14 entsteht. Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt 12 eine dritte Einspritzung 11 von Kraftstoff 2 in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze 5 angefetteten und zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches.
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Zur näheren Erläuterung der bevorzugten Ausbildungen der vorgenannten Verfahrensschritte sind in den 1 und 2 die Verfahrensbedingungen bei Teillast, in den 3 und 4 bei niedriger Last und in den 5 und 6 bei hoher Last bzw. bei Vollast gezeigt. Demnach werden zumindest näherungsweise im gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine die drei Einspritzungen 9, 10, 11 ausgeführt. Es kann aber auch zweckmäßig sein, das erfindungsgemäße Verfahren nur in einzelnen Lastbereichen auszuführen.
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Die 1 und 2 zeigen die Verfahrensbedingungen in gewöhnlicher, mittlerer Betriebslast. Die erste Einspritzung 9 wird als Homogeneinspritzung im Ansaugtakt 6 ausgeführt, wobei im nachfolgenden, in 1 gezeigten Kompressionstakt 7 der gesamte Innenraum des Zylinders 4 zumindest näherungsweise homogen mit dem Magergemisch 13 gefüllt ist. Die erste Einspritzung 9 beginnt bei einem Kurbelwinkel α1 von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT und erstreckt sich über einen Zeitraum bzw. über einen Kurbelwinkel α, die für die Einbringung der erforderlichen Kraftstoffmenge zur Erzielung des vorgegebenen Luftverhältnisses λ1 erforderlich ist. Der Darstellung nach 2 ist zu entnehmen, daß der Kurbelwinkelbereich der ersten Einspritzung 9 größer als der der nachfolgenden Einspritzungen 10, 11 ist, demnach in der ersten Einspritzung 9 der größere Teil der Gesamtkraftstoffmenge eingespritzt wird.
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Die zweite Einspritzung 10 erfolgt als Schichteinspritzung im Kompressionstakt 7 und beginnt bei einem Kurbelwinkel α2 von etwa 70° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Die Einspritzdauer und damit die Einspritzmenge ist geringer als die der ersten Einspritzung 9, jedoch größer als die der dritten Einspritzung 11. Es entsteht dadurch die in das Magergemisch 13 eingebettete Gemischwolke 14.
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Im Unterschied zu den ersten beiden Einspritzungen 9, 10 ist der Zeitpunkt der dritten Einspritzung 11 nicht an den Kurbelwinkel α, sondern an den mit der Drehzahl variierenden Zündzeitpunkt 12 gekoppelt. Der Zündzeitpunkt 12 ist hier beispielhaft bei einem Kurbelwinkel αZ von etwa 15° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT gezeigt, kann jedoch insbesondere drehzahlabhängig zusammen mit der dritten Einspritzung 11 eine andere Lage einnehmen. Insbesondere kann es auch zweckmäßig sein, im Kaltlaufbetrieb zur Aufheizung des Abgaskatalysators 1 den Zündzeitpunkt 12 und die dritte Einspritzung 11 nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT in den Arbeitstakt 8 zu verlegen.
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Die dritte Einspritzung 11 ist in ihrer Strahlform derart ausgebildet, daß sie in die Gemischwolke 14 eingeleitet und dabei unmittelbar am Funkenbereich der Zündkerze 5 vorbeigeführt wird. Durch die unmittelbare zeitliche Nähe der dritten Einspritzung 11 zum Zündzeitpunkt 12 erfolgt in Verbindung mit dem lokal an der Zündkerze 5 angefetteten Gemisch eine sichere Zündung, die sich auf die Gemischwolke 14 und auf das Magergemisch 13 überträgt.
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Im Unterschied zu den Teillastbedingungen nach den 1 und 2 werden bei niedrigen Motorlasten entsprechend der Darstellung nach den 3 und 4 alle drei Einspritzungen 9, 10, 11 im Ansaugtakt 7 als Schichteinspritzung ausgeführt. Hier sind nur geringe Gesamtkraftstoffmengen erforderlich, die sich aus den in 4 dargestellten Bereichen von Kurbelwinkeln α der Einspritzungen 9, 10, 11 im Vergleich zu denen der Darstellung nach 2 bei Teillast ergeben. Die erste Einspritzung 9 wird bei einem Kurbelwinkel α1 von etwa 60° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT und die zweite Einspritzung bei einem Kurbelwinkel α2 von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT durchgeführt. Die Verhältnisse bei der dritten Einspritzung 11 und dem Zündzeitpunkt 12 entsprechen etwa denen der im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläuterten Bedingungen der Teillast.
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Der zeichnerischen Darstellung nach 3 ist zu entnehmen, daß durch die Ausführung der ersten Einspritzung 9 als Schichteinspritzung im Kompressionstakt 7 das Magergemisch 13 nicht das gesamte Zylindervolumen ausfüllt. Hierdurch wird vermieden, daß die für den niedrigen Lastbereich geringe Kraftstoffmenge durch zu große volumetrische Verteilung nicht mehr brennbar ist. Vielmehr bildet das Magergemisch 13 eine lokal begrenzte Wolke, die war mittels der Zündkerze 5 nicht zündfähig, wohl aber brennbar ist. In diese Wolke des Magergemisches 13 ist die fettere Gemischwolke 14 eingebettet. Zündung und Flammausbreitung durch die fette Gemischwolke 14 und das Magergemisch 13 entsprechen im Übrigen dem Teillastbetrieb nach den 1 und 2.
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Die 5 und 6 zeigen noch die Verhältnisse bei Vollast. Die geschichtete Zylinderfüllung nach 5 entspricht im Wesentlichen der Zylinderfüllung bei Teillast nach 1.
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Aus 6 ergibt sich jedoch, daß die erste Einspritzung 9 als Homogeneinspritzung im Ansaugtakt 6 bei einem Kurbelwinkel α1 von etwa 300° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT beginnt und zur Bereitstellung einer höheren Kraftstoffmenge im Vergleich zur Darstellung nach 2 über einen breiteren Kurbelwinkelbereich α verläuft. Die nachgeschaltete zweite Einspritzung 10 beginnt bei einem Kurbelwinkel α2 von etwa 180° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT und erstreckt sich ebenfalls über einen breiteren Kurbelwinkelbereich α. Die Kraftstoffmenge der ersten Einspritzung 9 ist derart gewählt, daß das Magergemisch 13 als homogenes Hintergrundgemisch noch brennbar ist, gleichzeitig aber auch zur Einstellung der erforderlichen Gesamtkraftstoffmenge noch ausreichend Restmenge für die beiden folgenden Einspritzungen 10, 11 beläßt. Die zweite Einspritzung 10 ist derart gewählt, daß die eingespritzte Kraftstoffmenge einerseits in unmittelbarer Umgebung der Zündkerze verbleibt, andererseits sich aber so weit verteilt, daß das in diesem Bereich entstehende Kraftstoff/Luft-Verhältnis annähernd stöchiometrisch ist. Je größer also die als zweite Einspritzung 10 in den Brennraum eingebrachte Kraftstoffmasse ist, desto früher muß ihre Einspritzung erfolgen, um ihr ausreichend Zeit zur Gemischaufbereitung und Verteilung im Brennraum zur Verfügung zu stellen.
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Die dritte Einspritzung 11 entspricht in ihrer Ausgestaltung der dritten Einspritzung 11 nach den 1 bis 4 bei Teillast bzw. bei geringer Last. Im Unterschied hierzu kann es lediglich erforderlich sein, zur Berücksichtigung des höheren Brennraumdruckes bei höheren Lasten die Menge der dritten Einspritzung 11 eventuell leicht zu vergrößern, da zur Strahlausbildung bei höheren Brennraumdrücken größere Kraftstoffmengen notwendig sein können.
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Die Darstellungen nach den 1 bis 6 zeigen beispielhaft drei verschiedene Betriebszustände bei Teillast, geringer Last und Vollast. Mittels des Steuergerätes 16 können Anpassungen an dazwischenliegende Betriebsparameter bzw. Lastbereiche durch insbesondere stufenlose Verschiebung der ersten und der zweiten Einspritzung 9, 10 hinsichtlich Zeitpunkt und Einspritzmenge innerhalb der aufgezeigten Grenzen vorgenommen werden, wodurch eine zielgerichtete Anpassung an die an der Brennkraftmaschine anliegende Last sichergestellt ist.
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Insbesondere kann mit dem aufgezeigten Verfahren zweckmäßig die Brennkraftmaschine 1 im Magerbetrieb genutzt werden. Vorteilhaft wird dazu das über das gesamte Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen 9, 10, 11 entstehende globale Luftverhältnis λ in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis einschließlich etwa 4,0 oder größer eingestellt. Alternativ oder in Kombination dazu kann es zweckmäßig sein, mittels der zuvor beschriebenen Abgasrückführung 24 und/oder durch Beeinflussung der Ventilsteuerzeiten zu Beginn der Verbrennung einen erhöhten Inertgasanteil im Zylindervolumen bereitzustellen.
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Entsprechend der beispielhaften Darstellung nach den 2, 4 und 6 verlaufen die drei Einspritzungen 9, 10, 11 kontinuierlich über den angegebenen Kurbelwinkelbereich α. Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, eine, mehrere oder alle Einspritzungen 9, 10, 11 als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung auszuführen, sofern die Bauweise des Injektors 3 dies zuläßt. Hierzu kann eine Ausbildung des Injektors 3 als Piezoinjektor zweckmäßig sein. Mittels der Aufteilung in kurze, nur wenige Millisekunden dauernde Einzeleinspritzungen läßt sich die Ladungsverteilung bzw. der Schichtungsaufbau der Zylinderfüllung gezielt beeinflussen.
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In allen gezeigten Betriebszuständen ist beispielhaft ein Einspritzende 15 der dritten Einspritzung 11 im Bereich des Zündzeitpunktes 12 liegend dargestellt. Es kann auch zweckmäßig sein, das Einspritzende 15 in einem Kurbelwinkelbereich α von 0° bis etwa 10° vor den Zündzeitpunkt 12 zu legen. In Verbindung mit einer Ausführung der dritten Einspritzung 11 als Mehrfacheinspritzung kann es auch vorteilhaft sein, je eine Teileinspritzung vor und nach dem Zündzeitpunkt 12 vorzunehmen, um die Zündung und den nachfolgenden Brennverlauf zu beeinflussen.
