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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Ottomotors in kontrollierter Selbstzündung, wobei
ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Brennraum eingebracht und in
einem Verdichtungstakt verdichtet wird sowie eine nach dem Verfahren arbeitende
Brennkraftmaschine.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
dem für
größere Lasten
benutzten 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.
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Beim
Betrieb einer Brennkraftmaschine im HCCI-Modus (Homogenous Charge
Compression Ignition), der manchmal auch als CAI (Controlled Auto Ignition),
ATAC (Active Thermo Atmosphere Combustion) oder TS (Toyota Soken)
bezeichnet wird, erfolgt die Entzündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches nicht
durch Fremdzündung,
sondern durch kontrollierte Selbstzündung. Der HCCI-Verbrennungsprozess
kann beispielsweise durch einen hohen Anteil an heißen Restgasen
und/oder durch eine hohe Verdichtung und/oder eine hohe Eintrittslufttemperatur hervorgerufen
wer den. Voraussetzung für
die Selbstzündung
ist ein ausreichend hohes Energieniveau im Zylinder. Im HCCI-Modus
betreibbare Brennkraftmaschinen, sind z.B. aus
US 6,260,520 ,
US 6,390,054 ,
DE 199 27 479 und WO 98/10179 bekannt.
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Die
HCCI-Verbrennung hat gegenüber
einer herkömmlichen
fremdgezündeten
Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs und
geringerer Schadstoffemissionen. Allerdings ist die Regelung des
Verbrennungsprozesses und insbesondere die Steuerung der Selbstzündung des
Gemisches komplex. So bedarf es einer Regelung von den Verbrennungsprozess
beeinflussenden Stellgrößen für z.B. die
Kraftstoffeinspritzung (Einspritzmenge bzw. Einspritzzeitpunkt und
-dauer), interne oder externe Abgasrückrückführung, Einlass- und Auslassventile
(variable Ventilsteuerung), Abgasgegendruck (Abgasklappe), ggf.
eine Zündunterstützung, Lufteintrittstemperatur,
Kraftstoffqualität
und Verdichtungsverhältnis
bei Brennkraftmaschinen mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis.
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Probleme des
Standes der Technik
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Derzeit
kann die kontrollierte Selbstzündung nur
in engen Lastbereichen genutzt werden, da die Selbstzündung derzeit
alleine durch deren Reaktionskinetik getrieben wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die für die ottomotorische
Selbstentzündung
nutzbaren Lastbereiche auszuweiten.
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Vorteile der
Erfindung
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Ottomotors in kontrollierter Selbstzündung, wobei ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
in einen Brennraum eingebracht und in einem Verdichtungstakt ver dichtet
wird, wobei in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch an einer oder mehreren
Stellen durch Fremdzündung
während
des Verdichtungstaktes eine Flammenfront erzeugt wird, die das restliche
Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet und/oder aufheizt und dadurch
die Selbstzündung
auslöst.
Die Erfindung ermöglicht
die Steuerung bzw. Regelung der Selbstzündung in unterschiedlichen
Lastpunkten mit Hilfe einer geschichteten Einspritzung in Kombination
mit einer Fremdzündung.
Mit der Zündung
einer bestimmten Menge einer geschichteten Einspritzung wird es
Möglich
durch eine Flammenausbreitung die Selbstzündung des restlichen Gemisches
zu fördern und
dadurch diese kombinierte Verbrennung (Flammenausbreitung + Selbstzündung) zu
Steuern bzw. zu Regeln. Mit Hilfe einer geschichteten Einspritzung kann
die Verbrennung noch spät
im Verdichtungstakt bzw. um den Zünd-OT beeinflusst werden, im
Gegensatz zur konventionellen Selbstzündung bei der ab dem Schließen des
Einlass-Gaswechselventils die Verbrennung nur von der Reaktionskinetik
bestimmt wird. In unterschiedlichen Lastpunkten werden unterschiedliche
Gaswechselventil- und Einspritzstrategien benötigt. Darüber hinaus kann Aufladung eingesetzt
werden um den Kennfeldbereich, z.B. zu höheren Lasten, zu erweitern.
Durch die Steuerung bzw. Regelung einer geschichteten Einspritzung
im Zünd-OT
nahen Bereich kann eine heiße
geschichtete Flammenfront gestartet werden die den restlichen Teil
schnell in die Selbstzündung
treiben kann. Diese geschichteten Einspritzung kann als Steuer-
bzw. Regelgröße eingesetzt
werden. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Flammenfront
durch eine oder mehrere Zündkerzen
und/oder durch einen Laser erzeugt wird.
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Vorzugsweise
wird die Brennkraftmaschine im Schichtbetrieb betrieben, wobei der
Kraftstoff im Verdichtungstakt in den Brennraum eingebracht wird.
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Vorzugsweise
enthält
das Kraftstoff-Luft-Gemisch zusätzlich
Abgas als Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch, wobei das Abgas bevor zugt
durch eine negative Ventilüberschneidung
(Restgasrückhaltung)
im Ladungswechsel-Takt im Brennraum verbleibt. Bei einer negativen
Ventilüberschneidung
wird das Auslass-Gaswechselventil
vor Erreichen des oberen Totpunktes geschlossen, sodass ein Teil
der verbrannten Gase im Zylinder zurückbleibt.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine
mit einer Betriebsart der kontrollierten Selbstzündung, wobei ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
in einen Brennraum eingebracht und in einem Verdichtungstakt verdichtet
werden kann, wobei in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch an einer oder
mehreren Stellen durch Fremdzündung eine
Flammenfront erzeugt werden kann, die das restliche Kraftstoff-Luft-Gemisch
verdichten und/oder aufheizen und dadurch die Selbstzündung auslösen kann.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
mit Kraftstoffversorgungssystem;
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2 ein
Diagramm Brennraumdruck über dem
Kurbelwellenwinkel;
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3 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
mit zugehörigen
Komponenten des Kraftstoffversorgungssystems. Beispielhaft dargestellt
ist eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung (Ottomotor mit
Benzindirekteinspritzung BDE) mit einem Kraftstofftank 11, an
dem eine Elektrokraftstoffpumpe (EKP) 12, ein Kraftstofffilter 13 und
ein Niederdruckregler 14 angeordnet sind. Vom Kraftstofftank 11 führt eine
Kraftstoffleitung 15 zu einer Hochdruckpumpe 16.
An die Hochdruckpumpe 16 schließt sich ein Speicherraum 17 an.
Am Speicherraum 17 sind Einspritzventile 18 angeordnet,
die vorzugsweise direkt Brennräumen 26 der
Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Bei Brennkraftmaschinen mit
Direkteinspritzung ist jedem Brennraum 26 wenigstens ein
Einspritzventil 18 zugeordnet, es können hier aber auch mehrere
Einspritzventile 18 für
jeden Brennraum 26 vorgesehen sein. Der Kraftstoff wird
durch die Elektrokraftstoffpumpe 12 aus dem Kraftstofftank 11 über den
Kraftstofffilter 13 und die Kraftstoffleitung 15 zur
Hochdruckpumpe 16 gefördert.
Der Kraftstofffilter 13 hat die Aufgabe, Fremdpartikel
aus dem Kraftstoff zu entfernen. Mit Hilfe des Niederdruckreglers 14 wird
der Kraftstoffdruck in einem Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems
auf einen vorbestimmten Wert, der meist in der Größenordnung
von etwa 4 bis 5 bar liegt, geregelt. Die Hochdruckpumpe 16,
die vorzugsweise direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben wird,
verdichtet den Kraftstoff und fördert ihn
den Speicherraum 17. Der Kraftstoffdruck erreicht hierbei
Werte von bis zu etwa 150 bar. In 1 ist beispielhaft
ein Brennraum 26 einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
dargestellt, im Allgemeinen weist die Brennkraftmaschine mehrere
Zylinder mit je einem Brennraum 26 auf. An dem Brennraum 26 ist
wenigstens ein Einspritzventil 18, wenigstens eine Zündkerze 24,
wenigstens ein Einlassventil 27, wenigstens ein Auslassventil 28 angeordnet.
Der Brennraum wird von einem Kolben 29, der in dem Zylinder
auf- und abgleiten kann, begrenzt. Über das Einlassventil 27 wird
Frischluft aus einem Ansaugtrakt 36 in den Brennraum 26 angesaugt.
Mit Hilfe des Einspritzventils 18 wird der Kraftstoff direkt
in den Brennraum 26 der Brennkraftmaschine gespritzt. Mit der
Zündkerze 24 wird
der Kraftstoff entzündet. Durch
die Ausdehnung des entzündeten
Kraftstoffs wird der Kolben 29 angetrieben. Die Bewegung
des Kolbens 29 wird über
eine Pleuelstange 37 auf eine Kurbelwelle 35 übertragen.
An der Kurbelwelle 35 ist eine Segmentscheibe 34 angeordnet,
die von einem Drehzahlsensor 30 abgetastet wird. Der Drehzahlsensor 30 erzeugt
ein Signal, das die Drehbewegung der Kurbelwelle 35 charakterisiert.
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Die
bei der Verbrennung entstehenden Abgase gelangen über das
Auslassventil 28 aus dem Brennraum 26 zu einem
Abgasrohr 33, in dem ein Temperatursensor 31 und
eine Lambdasonde 32 angeordnet sind. Mit Hilfe des Temperatursensors 31 wird
die Temperatur und mit Hilfe der Lambdasonde 32 der Sauerstoffgehalt
der Abgase erfasst.
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Ein
Drucksensor 21 und ein Drucksteuerventil 19 sind
am Speicherraum 17 angeschlossen. Das Drucksteuerventil 19 ist
eingangsseitig mit dem Speicherraum 17 verbunden. Ausgangsseitig
führt eine Rückflussleitung 20 zur
Kraftstoffleitung 15.
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Anstatt
einem Drucksteuerventil 19 kann auch ein Mengensteuerventil
in dem Kraftstoffversorgungssystem 10 zur Anwendung kommen.
Mit Hilfe des Drucksensors 21 wird der Istwert des Kraftstoffdrucks
im Speicherraum 17 erfasst und einem Steuergerät 25 zugeführt. Durch
das Steuergerät 25 wird auf
der Basis des erfassten Istwertes des Kraftstoffdrucks ein Ansteuersignal
gebildet, mit dem das Drucksteuerventil angesteuert wird. Die Einspritzventile 18 werden über nicht
dargestellte elektrische Endstufen angesteuert, die innerhalb oder
außerhalb des
Steuergerätes 25 angeordnet
sein können. Über Steuerungssignalleitungen 22 sind
die verschiedenen Aktuatoren und Sensoren mit dem Steuergerät 25 verbunden.
Im Steuergerät 25 sind
verschiedene Funktionen, die zur Steuerung der Brennkraftmaschinen
dienen, implementiert. In modernen Steuergeräten werden diese Funktionen
auf einem Rechner programmiert und anschließend in einem Speicher des Steuergerätes 25 abgelegt.
Die im Speicher abgelegten Funktionen werden in Abhängigkeit
der Anforderungen an die Brennkraftmaschine aktiviert, hierbei werden
insbesondere strenge Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit
des Steuergerätes 25 gestellt.
Prinzipiell ist eine reine Hardwarerealisierung der Steuerung der
Brennkraftmaschine alternativ zu einer Softwarerealisierung möglich.
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In
dem Ansaugtrakt 36 ist eine Drosselklappe 38 angeordnet,
deren Drehstellung über
eine Signalleitung 39 und einen zugehöri gen, hier nicht dargestellten
elektrischen Aktuator durch das Steuergerät 25 einstellbar ist.
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An
dem Brennraum kann eine weitere Zündeinrichtung 40 angeordnet
sein. Es kann sich hier um eine weitere Zündkerze zusätzlich zur Zündkerze 24 oder
beispielsweise einen Laser oder dergleichen handeln. Mit der weiteren
Zündeinrichtung 40 oder der
Zündkerze 24 wird
die nachfolgend beschriebene Fremdzündung zur Herbeiführung der
Selbstzündung
ausgelöst.
Die weitere Zündeinrichtung 40 wird durch
das Steuergerät 25 gesteuert
und ist dazu elektrisch mit diesem verbunden.
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In
einer ersten Betriebsart, dem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine,
wird die Drosselklappe 38 in Abhängigkeit von der erwünschten
zuzuführenden
Luftmasse teilweise geöffnet
bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 18 während einem
durch den Kolben 29 hervorgerufenen Ansaugtakt in den Brennraum 26 eingespritzt. Durch
die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff
verwirbelt und damit im Brennraum 26 im Wesentlichen gleichmäßig/homogen
verteilt. Danach wird das Kraftstoffluftgemisch während des
Verdichtungstaktes, in dem durch den Kolben 29 das Volumen
des Brennraums 26 verringert wird, verdichtet, um dann
in der Regel kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes das Kolbens 29 von
der Zündkerze 24 entzündet zu
werden.
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In
einer zweiten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine,
wird die Drosselklappe 38 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird
von dem Einspritzventil 18 während des durch den Kolben 29 hervorgerufenen
Verdichtungstaktes in den Brennraum 26 eingespritzt. Sodann
wird wie zuvor mit Hilfe der Zündkerze 24 der
Kraftstoff entzündet,
so dass der Kolben 29 in der nun erfolgenden Arbeitsphase
durch die Ausdehnung des entzündeten
Kraftstoffs angetrieben wird. Eine weitere mögliche Betriebsart ist der homogene
Magerbetrieb, bei dem Kraftstoff wie im homogenen Betrieb während der
Ansaugphase in den Brennraum 26 eingespritzt wird.
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2 zeigt
ein Diagramm des Brennraumdruckes in dem Brennraum 26 der
Brennkraftmaschine über
dem Kurbelwellenwinkel in grad Kurbelwelle (°KW). Über der Ordinate dargestellt
ist ein Kurbelwellenwinkel von –180° bis 540°, über der
Abszisse ist der Brennraumdruck in bar aufgetragen. Mit 0° ist hier
willkürlich
der Obere Totpunkt im Ladungswechsel L-OT gewählt. Der Ladungswechsel dient
in bekannter Weise dem Ausstoßen
verbrannter Abgase, dies findet hier zwischen –180° und 0° Kurbelwelle statt, und dem
Ansaugen frischer Umgebungsluft bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, dies
findet hier im Kurbelwellenwinkelbereich von 0-180° statt. Eine Kurbelwellenumdrehung
weiter, bei 360° Kurbelwelle,
ist der Obere Totpunkt der Zündung
(Zündungs-OT)
erreicht. Zwischen 180° Kurbelwelle
in 2 und 360° Kurbelwellenwinkel
findet der Verdichtungstakt statt, zwischen 360° Kurbelwellenwinkel und 540° Kurbelwellenwinkel
findet die Expansion der verbrennenden Gase statt. Die einzelnen
Takte sind in 2 bezeichnet mit Ausstoßen AU von –180° bis 0°, Ansaugen
AN von 0° bis
180°, Verdichtungstakt
(Kompression) V von 180° bis
360° und
Expansion (Verbrennung) E von 360° bis
540°. Im
Verdichtungstakt wird das Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch oder
Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch verdichtet und dabei erhitzt. Das
Gemisch wird in der Regel kurz vor Erreichen des Zündungs-OTs
gezündet. Dies
kann wie beim Ottomotor üblich
durch Fremdzündung
oder gemäß der erfindungsgemäßen Betriebsart
durch eine kontrollierte Selbstzündung
erfolgen. Die Zündung
des Gemisches führt
in bekannter Art und Weise zu einer Druckerhöhung, die im sich daran anschließenden Arbeitstakt
in mechanische Energie umgewandelt wird.
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In
der Betriebsart der kontrollierten Selbstzündung erfolgt die Einspritzung
im Schichtbetrieb in dem Verdichtungstakt und die Selbstzündung (siehe 2)
kurz vor Erreichen des Zündungs-OTs. Dazu ist es
erforderlich, dass das Gas-Luft-Kraftstoff-Abgas-Gemisch eine ausreichende Zündtemperatur aufweist.
Dies kann nicht in allen Betriebszuständen gewährleistet werden. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen,
durch eine Fremdzündung,
dies kann beispielsweise durch die Zündkerze oder ein anderweitiges
Zündmittel
wie z.B. einen Laser oder dergleichen in dem Brennraum 26 erfolgen.
Die Fremdzündung
erzeugt aufgrund der Kraftstoffkonzentration und Druckverhältnisse
eine nur langsam fortschreitende Flammenfront, die das restliche
Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch
weiter verdichtet und dessen Temperatur erhöht. In dem nicht von der Flammenfront
entzündeten
Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch
wird dadurch ein Druck und eine Temperatur, die zur Selbstzündung ausreichen,
erzeugt. Die Selbstzündung
wird also durch eine Druck- und Temperaturerhöhung in dem Brennraum, die
mit einer Fremdzündung
herbeigeführt
wird, erzeugt.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren
beginnt in Schritt 101 mit dem Einspritzen von Kraftstoff.
Dies kann in der Ansaugtakt oder im Verdichtungstakt (je nach Betriebsart
Schichtbetrieb, Homogenbetrieb, homogener Mischbetrieb etc. des
Ottomotors) geschehen. In Schritt 102 schließt sich
die Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches an. Darauf wird in Schritt 103 ein
Teil des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches fremdgezündet, wodurch
eine langsam fortschreitende Flammenfront entsteht, die das restliche Gemisch
in Schritt 104 zur kontrollierten Selbstzündung bringt.