DE102007048930A1 - Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors (4) in einen Brennraum (1) der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze (6) fremdgezündet wird, wobei in einem Kompressionshub mindestens zwei Einspritzungen von Kraftstoff erfolgen, wobei die letzte der Einspritzungen zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (tz) in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (6) angefetteten und zündfähigen letzten Kraftstoff-Luft-Gemischs (5.3) erfolgt, wobei die Einspritzungen in einer Startphase der Brennkraftmaschine erfolgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze fremdgezündet wird, wobei in einem Kompressionshub mindestens zwei Einspritzungen von Kraftstoff erfolgen, wobei die letzte der Einspritzungen zeitnah zu einem Zündzeitpunkt in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze angefetteten und zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemischs erfolgt.
  • Beim Start von Brennkraftmaschinen, insbesondere beim Kaltstart, wird durch die Benetzung der kalten Brennraumwände und des Kolbens eine erhebliche Menge des Kraftstoffs nahezu unverbrannt emittiert.
  • Aus der DE 10 2005 044 544 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze fremdgezündet wird. Abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine wird ein Kurbelwinkel bestimmt, bei dem eine erste Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Zylinder ein Magergemisch erzeugt wird. Nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Zylinder eine im Vergleich zum Magergemisch fettere und im Magergemisch eingebettete Gemischwolke erzeugt wird. 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-Gemischs.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine wird Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze fremdgezündet. In einem Kompressionshub erfolgen mindestens zwei, vorzugsweise drei Einspritzungen von Kraftstoff. Die letzte der Einspritzungen erfolgt zeitnah zu einem Zündzeitpunkt in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze angefetteten und zündfähigen letzten Kraftstoff-Luft-Gemischs. Die Einspritzungen erfolgen in einer Startphase der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kaltstart. Durch die letzte Einspritzung unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt wird ein kompaktes, definiert ausgebildetes, fettes letztes Kraftstoff-Luft-Gemisch direkt an der Zündkerze platziert. Dadurch ist unter allen Bedingungen eine sichere Entflammung sichergestellt.
  • Bei drei Einspritzungen wird die erste Einspritzung vorzugsweise so gestaltet, dass abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel bestimmt wird, bei dem die erste Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, wobei im Zylinder ein erstes Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird, dessen örtliches Luftverhältnis größer als 1,0 ist. Nachfolgend wird abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel bestimmt, bei dem eine zweite Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Zylinder eine im Vergleich zum ersten Kraftstoff-Luft-Gemisch fetteres und im ersten Kraftstoff-Luft-Gemisch eingebettetes zweites Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird, dessen örtliches Luftverhältnis kleiner als oder gleich 1,0 ist. Durch die drei Einspritzungen wird eine Schichtladung erzeugt, die an der Zündkerze fett und nach außen hin magerer ist.
  • Diese Schichtladung mit einer fetten Kernzone an der Kerze und einer mageren Außenzone brennt einerseits sicher durch, andererseits wird die Anlagerung von Kraftstoff an die kalten Brennraumwände minimiert. Es ergibt sich eine hohe Zünd- und Entflammungssicherheit auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen. Gleichzeitig werden die Emissionen von Partikeln, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenstoffmonoxid während des Starts minimiert. Bei einem Kaltstart reduziert sich die notwendige Einspritzmenge, so dass eine Hochdruckpumpe entsprechend kostengünstiger dimensioniert werden kann. Der Drehzahlverlauf beim Start kann durch die variablen Möglichkeiten der Einspritzung entsprechend frei modelliert werden.
  • Üblicherweise stimmt man den Start einer Brennkraftmaschine über den gesamten Temperaturbereich so ab, dass jeder Arbeitszyklus während des Starts ein maximales indiziertes Drehmoment abgibt, damit der Motor möglichst schnell hochdreht. Dies ist bei der hier vorgeschlagenen Einspritzstrategie über die Abstimmung der einzelnen Kraftstoffmengen und zeitlichen Lage dieser Mengen und der Wahl des dazugehörigen optimalen Zündzeitpunkts möglich.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennraums einer Brennkraftmaschine mit einem Injektor, einer Zündkerze und einem Steuergerät, wobei der Zylinder während einer Startphase in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt ist, und
  • 2 eine Diagrammdarstellung von bei verschiedenen Kurbelwinkeln in der Anordnung aus 1 während der Startphase vorgesehenen Einspritzungen.
  • 1 zeigt einen Brennraum 1 einer Brennkraftmaschine. Der Brennraum 1 wird durch eine Zylinderwand 2 und einen Boden eines Kolbens 3 eingegrenzt. Während einer Startphase der Brennkraftmaschine werden in einem Kompressionshub, d. h. während der Kolben sich nach oben bewegt, mittels eines Injektors 4, der beispielsweise als ein Piezoinjektor ausgebildet ist, in kurzen Abständen kleine Mengen eines Kraftstoffs in den Brennraum 1 eingespritzt. Es finden mindestens zwei, vorzugsweise drei derartige Einspritzungen statt.
  • Der Injektor 4 spritzt den Kraftstoff abhängig von einem Betriebspunkt direkt in den Brennraum 1 ein. Der Betriebspunkt beinhaltet Parameter wie Drehzahl, Last, Nockenwellenstellung, Saugrohrdruck etc.
  • Die erste Einspritzung erzeugt ein erstes Kraftstoff-Luft-Gemisch 5.1 in der Nähe einer Zündkerze 6 mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ1 >> 1.
  • Durch die zweite Einspritzung wird nahe der Zündkerze 6 ein zweites Kraftstoff-Luft-Gemisch 5.2 mit einem stöchiometrischen (λ = 1) bis leicht fetten (λ < 1) Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ2 erzeugt. Dieses fette zweite Kraftstoff-Luft-Gemisch 5.2 ermöglicht eine schnelle und sichere Verbrennung auch unter ungünstigen Bedingungen wie bei extrem kalten Zylinderwänden 2 und niedrigen Gemischtemperaturen.
  • Die dritte Einspritzung erfolgt beim direkteinspritzenden Ottomotor mit strahlgeführtem Brennverfahren unmittelbar vor einem Zündzeitpunkt. Die Lage des Einspritzzeitpunkts für die dritte Einspritzung muss direkt an den aktuellen Zündzeitpunkt gekoppelt werden. Durch diese Einspritzung wird ein kompaktes, definiert ausgebildetes, fettes letztes Kraftstoff-Luft-Gemisch 5.3 direkt an der Zündkerze 6 platziert. Dadurch ist unter allen Bedingungen eine sichere Entflammung sichergestellt.
  • In 2 ist eine Diagrammdarstellung der bei verschiedenen Kurbelwinkeln in der Anordnung aus 1 während der Startphase vorgesehenen Einspritzungen gezeigt. Auf der Ordinate ist ein Kurbelwinkel α in einem Bereich von –360° bis 360° dargestellt. Dabei befindet sich der Kolben bei 0°, –360° und 360° in einem oberen Totpunkt. Die Abszisse repräsentiert sowohl einen Ventilhub H als auch einen Zylinderdruck p im Brennraum 1. Im gezeigten Beispiel findet während des Kompressionshubs zunächst die oben beschriebene erste Einspritzung des ersten Kraftstoff-Luft-Gemischs 5.1, anschließend die zweite Einspritzung des zweiten Kraftstoff-Luft-Gemischs 5.2 und unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt tz die dritte Einspritzung des letzten Kraftstoff-Luft-Gemischs 5.3 statt.
  • Durch die drei Einspritzungen in den Kompressionshub wird eine Schichtladung erzeugt, die an der Zündkerze 6 fett und nach außen hin magerer ist.
  • Diese Schichtladung mit einer fetten Kernzone an der Zündkerze 6 und einer mageren Außenzone brennt einerseits sicher durch, andererseits wird die Anlagerung von Kraftstoff an die kalten Zylinderwände 2 minimiert. Damit werden auch die Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und von Kohlenstoffmonoxid (CO) während des Starts minimiert.
  • Insbesondere bei Verwendung eines Magnetinjektors statt eines Piezoinjektors können zwei statt drei Einspritzungen vorgesehen sein. In jedem Fall findet jedoch die letzte der Einspritzungen unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt tz statt.
  • Die einzelnen Einspritzungen können jeweils wiederum als Mehrfacheinspritzungen ausgeführt werden.
  • Der Injektor 4 kann sowohl seitlich als auch zentral im Brennraum 1 angeordnet sein, da der in den Kompressionshub eingespritzte Kraftstoff bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 in Richtung Zündkerze 6 transportiert wird. Dabei sind die Parameter Einspritztiming und Mengenaufteilung auf den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren.
  • In einigen Anwendungsfällen kann ein langsames Hochdrehen der Brennkraftmaschine erwünscht sein.
  • Bei einem Tieftemperaturkaltstart kann es das Ziel sein, die Kraftstoffmengen zu minimieren, weil von den hier benötigten Kraftstoffmengen die Dimensionierung einer Hochdruckkraftstoffpumpe abhängt. Es ist möglich, über eine Reduzierung der Kraftstoffmengen der ersten und der zweiten Einspritzung ein insgesamt mageres Gemisch im Brennraum 1 zu erzeugen, das aber trotzdem sicher durchbrennt. Die indizierten Drehmomente der einzelnen Arbeitszyklen sind dann lediglich proportional zu den eingespritzten Mengen geringer. Die Wandbenetzung und der Eintrag von Kraftstoff ins Motoröl werden reduziert.
  • Bei abgasrelevanten Starts kann durch eine magere Startabstimmung die Wandanlagerung von Kraftstoff und damit die HC-Emission reduziert werden. Weiterhin kann über einen späten nicht wirkungsgradoptimalen Zündzeitpunkt tz eine späte, verschleppte Verbrennung erzeugt werden, wodurch auch die HC-Emission reduziert und der Brennraum 1 schneller aufgeheizt wird. Auch hier ermöglicht die dritte Einspritzung eine sichere Entflammung des Gemischs.
    • 1
    Brennraum
    2
    Zylinderwand
    3
    Kolben
    4
    Injektor
    5.1
    erstes Kraftstoff-Luft-Gemisch
    5.2
    zweites Kraftstoff-Luft-Gemisch
    5.3
    letztes Kraftstoff-Luft-Gemisch
    6
    Zündkerze
    α
    Kurbelwinkel
    H
    Ventilhub
    λ
    Kraftstoff-Luft-Verhältnis
    p
    Zylinderdruck
    tz
    Zündzeitpunkt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005044544 A1 [0003]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors (4) in einen Brennraum (1) der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze (6) fremdgezündet wird, wobei in einem Kompressionshub mindestens zwei Einspritzungen von Kraftstoff erfolgen, wobei die letzte der Einspritzungen zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (tz) in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (6) angefetteten und zündfähigen letzten Kraftstoff-Luft-Gemischs (5.3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzungen in einer Startphase der Brennkraftmaschine erfolgen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kompressionshub drei Einspritzungen von Kraftstoff erfolgen, wobei abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel (α) bestimmt wird, bei dem eine erste Einspritzung (9) von Kraftstoff (2) erfolgt, durch die im Zylinder (4) ein erstes Kraftstoff-Luft-Gemisch (5.1) erzeugt wird, dessen örtliches Luftverhältnis (λ1) größer als 1,0 ist, wobei nachfolgend abhängig von zumindest der Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel (α) bestimmt wird, bei dem eine zweite Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die im Brennraum (1) ein im Vergleich zum ersten Kraftstoff-Luft-Gemisch (5.1) fetteres und im ersten Kraftstoff-Luft-Gemisch (5.1) eingebettetes zweites Kraftstoff-Luft-Gemisch (5.2) erzeugt wird, dessen örtliches Luftverhältnis (λ2) kleiner als oder gleich 1,0 ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Einspritzungen als eine Mehrfacheinspritzung ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzungen abhängig von einem Betriebspunkt durchgeführt werden, der durch mindestens eine der Größen Drehzahl, Last, Nockenwellenstellung und Saugrohrdruck bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung mit einer definierten Strahlform erfolgt.
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