DE102009019387A1

DE102009019387A1 - Operating method for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102009019387A1
Application number: DE102009019387A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. Lux; Rolf Dr. Wunsch; Michael Dipl.-Ing. Oechsle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2010-11-04
Also published as: WO2010124759A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere eines 4-Takt-Ottomotors, bei dem durch einen Einspritzprozess ein Kraftstoff mittels eines Injektors (3) in einen Zylinder (1) der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wobei nach einer Zündung durch eine Zündeinrichtung (4) der Kraftstoff in dem Zylinder (1) verbrennt. Durch ein dementsprechendes Einstellen zumindest eines Einspritzparameters, wie z. B. durch einen Einspritzzeitpunkt, eine Anzahl von Einspritzungen, eine Einspritzdauer, einer Einspritzort oder eine Einspritzmenge, kann ein Abgasgemisch gezielt erzeugt werden, das eine regelbare und so große Menge an Energieträgern aufweist, dass ein Abgaskatalysator (24) durch exotherme Reaktion der Energieträger auf dem Abgaskatalysator (24) auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt und/oder auf bzw. oberhalb der Betriebstemperatur gehalten werden kann.The invention relates to a method for operating a direct-injection internal combustion engine, in particular a 4-stroke gasoline engine, in which by an injection process, a fuel by means of an injector (3) is injected into a cylinder (1) of the internal combustion engine, wherein after ignition by a Ignition device (4) of the fuel in the cylinder (1) burns. By a corresponding setting of at least one injection parameter, such. For example, by an injection timing, a number of injections, an injection period, an injection or injection, an exhaust gas mixture can be selectively generated, which has a controllable and so large amount of energy sources that an exhaust gas catalyst (24) by exothermic reaction of the energy source the exhaust gas catalyst (24) can be heated to an operating temperature and / or maintained at or above the operating temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere eines 4-Takt-Ottomotors, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for operating a direct injection Internal combustion engine, in particular a 4-stroke gasoline engine, with the features of the preamble of claim 1.

In der DE 10 2005 044 544 A1 wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine beschrieben. Dabei wird ein Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündvorrichtung fremd gezündet. Die Brennkraftmaschine kann dabei in einem so genannten Schichtbetrieb betrieben werden. Dazu wird abhängig von zumindest einer Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel bestimmt, bei dem eine erste Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die in dem Zylinder ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoffgemisch erzeugt wird. Durch eine zweite Einspritzung von Kraftstoff in Abhängigkeit zu dem Kurbelwinkel wird eine im Vergleich zu der homogenen, mageren Kraftstoffgemischzone eine fettere in die homogene, magere Kraftstoffgemischzone eingebettete Kraftstoffgemischwolke erzeugt. Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt und ortsnah zu der Zündvorrichtung eine dritte Einspritzung von Kraftstoff zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündvorrichtung angefetteten und zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches. Ziel dieses bekannten Verfahrens ist eine Erweiterung des Betriebsbereiches, in dem die Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss bei akzeptablen Schadstoffemissionen betrieben werden kann.In the DE 10 2005 044 544 A1 a generic method for operating an internal combustion engine is described. In this case, a fuel is injected by means of an injector into a cylinder of the internal combustion engine and detonated by means of an igniter. The internal combustion engine can be operated in a so-called shift operation. For this purpose, a crank angle is determined depending on at least one load of the internal combustion engine, in which a first injection of fuel takes place, by which a substantially homogeneous, lean fuel mixture is generated in the cylinder. By means of a second injection of fuel as a function of the crank angle, a fuel mixture cloud embedded in the homogeneous, lean fuel mixture zone is produced in comparison to the homogeneous, lean mixed fuel zone. Subsequently, at least close to an ignition point and close to the ignition device, there is a third injection of fuel to produce a locally enriched in the region of the ignition device and ignitable fuel-air mixture. The aim of this known method is an extension of the operating range in which the internal combustion engine can be operated with excess air at acceptable pollutant emissions.

In bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann sich die derzeit in modernen Kraftfahrzeugen übliche Verwendung von Abgasnutzungssystemen, wie z. Bsp. die Verwendung von einem Abgasturbolader oder von einer Abgas- Abwärmenutzung, negativ auf die Katalysatortemperatur zumindest eines im Abgasstrom angeordneten Abgaskatalysators auswirken.In certain operating conditions of the internal combustion engine can the usual use in modern motor vehicles of exhaust systems, such. Eg the use of one Exhaust gas turbocharger or exhaust waste heat, negative to the catalyst temperature of at least one arranged in the exhaust stream Exhaust catalyst affect.

Dabei ist es möglich, dass die Katalysatortemperatur des zumindest einen Abgaskatalysators unterhalb eine Betriebstemperatur fällt, ab der keine ausreichende Umsetzung von Schadstoffen durch den zumindest einen Abgaskatalysator mehr möglich ist, so dass vorgegebene Schadstoffemissionswerte nicht mehr eingehalten werden können. Wenn z. Bsp. eine Brennkraftmaschine in einem so genannten Schichtbetrieb mit sehr hohem Luftüberschuss betrieben wird, kann dies, insbesondere bei niedrigen Lasten, zu niedrigen Abgastemperaturen führen. In dem Schichtbetrieb wird der Kraftstoff erst in einen Kompressionshub bzw. während des Verdichtungsprozesses eingespritzt. Dadurch reicht die Zeit zur homogenen Durchmischung von Luft und Kraftstoff nicht aus und das Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ innerhalb des Brennraumes ist nicht konstant. In der Nähe der Zündvorrichtung bildet sich dabei eine brennbare Kraftstoffgemischwolke aus, während im Bereich einer Zylinderwand ein Gemisch aus einem Inertgas, insbesondere Abgas aus der Abgasrückführung, und Frischgas vorliegt. Dieser verbrauchsgünstige Betrieb ist bei niedriger Last und Drehzahl möglich. Dadurch kann allerdings die Katalysatortemperatur des zumindest einen Abgaskatalysators im Abgasstrom unterhalb dessen Betriebstemperatur absinken. Tritt dies ein, dann ist der Abgaskatalysator nicht mehr in der Lage, z. Bsp. Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid aufzuoxidieren. Damit die vorgegebenen Schadstoffemissionswerte eingehalten werden können, müssen deshalb Maßnahmen zur Erwärmung des Abgaskatalysators, wie z. B. durch Umschalten in den Homogenbetrieb, getroffen werden. Im Homogenbetrieb herrscht im gesamten Brennraum dasselbe Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ vor. Durch die Nutzung des gesamten Brennraumvolumens wird eine hohe Leistungsdichte erzielt, wobei die Einspritzung im frühen Ansaugtakt stattfindet. Dies bedeutet in den meisten Fällen jedoch einen beträchtlichen Mehrverbrauch an Kraftstoff.there it is possible that the catalyst temperature of at least a catalytic converter drops below an operating temperature, from the no adequate implementation of pollutants by at least an exhaust catalyst is more possible, so that given Pollutant emission values can no longer be met. If z. Ex. An internal combustion engine in a so-called shift operation operated with very high excess air, this can especially at low loads, low exhaust gas temperatures to lead. In the shift operation, the fuel is only in a compression stroke or during the compression process injected. As a result, the time is sufficient for homogeneous mixing not out of air and fuel and the fuel-oxygen ratio λ within the combustion chamber is not constant. Near the ignition device A combustible mixture of fuel clouds is formed while in the region of a cylinder wall, a mixture of an inert gas, in particular Exhaust gas from the exhaust gas recirculation, and fresh gas is present. This low-consumption operation is at a lower level Load and speed possible. This can, however, the Catalyst temperature of the at least one catalytic converter in the exhaust stream fall below its operating temperature. If this happens, then the catalytic converter is no longer able to z. Eg carbon monoxide or to oxidize unburned hydrocarbons to carbon dioxide. So that the given pollutant emission values are kept Therefore, measures must be taken to Heating the catalytic converter, such as. B. by switching in the homogeneous operation, to be taken. In homogeneous operation prevails in the entire combustion chamber before the same fuel-oxygen ratio λ. By using the entire combustion chamber volume becomes a high power density achieved, wherein the injection takes place in the early intake stroke. However, this means a considerable amount in most cases More fuel consumption.

Aber es ist auch im Homogenbetrieb ein Absinken der Katalysatortemperatur unter die Betriebstemperatur möglich. In diesem Fall könnte durch einen Spätzug des Zündzeitpunkts der Wirkungsgrad des Motors bewusst verschlechtert werden, was zu höheren Abgastemperaturen auf der einen Seite führt, aber wiederum auch eine spürbare Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionswerte mit sich bringt. Des Weiteren ist die Erhöhung der Abgastemperatur durch bspw. einen Zündwinkelspätzug oder durch Umschalten in den Homogenbetrieb nur bedingt wirksam, da eine eventuell in dem Abgasstrom positionierte Abgasabwärmenutzung diesen zum Aufheizen des Abgaskatalysators notwendigen Effekt der Temperaturerhöhung des Abgases durch einen Wärmeentzug aus dem Abgas verringert.But it is also in homogeneous operation, a drop in the catalyst temperature below the operating temperature possible. In this case could by a late train of the ignition timing of the efficiency of Motors are deliberately deteriorated, resulting in higher exhaust gas temperatures on the one hand leads, but also a noticeable Deterioration of fuel consumption and emission levels brings with it. Furthermore, the increase in the exhaust gas temperature by, for example, a Zündwinkelspätzug or by Switching to the homogeneous operation only partially effective, since a possibly In the exhaust flow positioned exhaust gas waste heat use this necessary to heat the catalytic converter effect of increasing the temperature of the exhaust gas is reduced by a heat extraction from the exhaust gas.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere eines 4-Takt-Ottomotors, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, das sich insbesondere durch eine verringerte Schadstoffemission und einen reduzierten Kraftstoffverbrauch auszeichnet.The The present invention addresses the problem of for a generic method for Operation of a direct-injection internal combustion engine, in particular a 4-stroke gasoline engine, an improved or at least another embodiment in particular by a reduced emission of pollutants and a reduced fuel consumption.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention this problem by the subject-matter of the independent claim solved. Advantageous embodiments are the subject the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Verfahren zum Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere eines 4-Takt-Ottomotors, den Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Zylinder der Brennkraftmaschine so einzuspritzen, dass sich durch Einstellen zumindest eines Einspritzparameters des Einspritzprozesses ein derartiges Kraftstoffgemisch im Zylinder erzeugt werden kann, dass nach einer Zündung durch eine Zündeinrichtung der Kraftstoff in dem Zylinder so zu einem Abgasgemisch verbrennt, dass eine so große Menge an Energieträgern im Abgas verbleibt, dass ein Abgaskatalysator durch eine exotherme Reaktion der Energieträger auf dem Abgaskatalysator auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt und/oder auf bzw. oberhalb der Betriebstemperatur gehalten werden kann. Durch gezielte Modifikation des Einspritzprozesses in der oben beschriebenen Art und Weise ist es möglich, dass ein Absinken der Katalysatortemperatur unter eine Betriebstemperatur, die zur Einhaltung der Schadstoffemissionswerte notwendig ist, verhindert werden kann. Besonders vorteilhaft an diesem Verfahren ist die durch die Energieträger in chemischer Form im Abgas gespeicherte Energie. Dabei kann der Abgaskatalysator über die exotherme Reaktion der im Abgas verbliebenen Energieträger mit Restsauerstoff aufgeheizt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass in diesem Fall z. B. eine Abgasabwärmenutzung die in Form der Energieträger gespeicherte Energie nicht aus dem Abgas abziehen kann und dass die Wärme zur Aufheizung des Abgaskatalysators direkt am benötigten Ort entsteht.The invention is based on the general idea, in a method for operating a di directly injecting internal combustion engine, in particular a 4-stroke gasoline engine to inject the fuel by means of an injector into a cylinder of the internal combustion engine so that by adjusting at least one injection parameter of the injection process, such a fuel mixture in the cylinder can be generated that after ignition by an ignition device the fuel in the cylinder burns to an exhaust gas mixture, that such a large amount of energy remains in the exhaust gas that an exhaust gas catalyst can be heated by an exothermic reaction of the energy sources on the catalytic converter to an operating temperature and / or maintained at or above the operating temperature , By selectively modifying the injection process in the manner described above, it is possible that a drop in the catalyst temperature below an operating temperature necessary to maintain the pollutant emission levels can be prevented. Particularly advantageous in this process is the energy stored in the exhaust gas by the energy carriers in chemical form. In this case, the catalytic converter can be heated by the exothermic reaction of remaining in the exhaust energy with residual oxygen. It is particularly advantageous that in this case z. B. a waste heat recovery can not deduct the energy stored in the form of energy carriers from the exhaust and that the heat to heat the catalytic converter directly at the required location arises.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch den Einspritzprozess zumindest zwei Kraftstoffgemischzonen in dem Zylinder mit unterschiedlichen Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnissen erzeugt. Nach Zündung des Kraftstoffgemischs brennt der Kraftstoff in den einzelnen Kraftstoffgemischzonen unterschiedlich ab. Dies wird insbesondere dadurch unterstützt, dass zumindest eine Kraftstoffgemischzone mager bzw. bezüglich des Kraftstoffs unterstöchimetrisch eingestellt ist, während eine zweite Kraftstoffgemischzone leicht fett bzw. bezüglich des Kraftstoffs leicht überstöchimetrisch eingestellt ist.In a preferred embodiment are by the injection process at least two mixed fuel zones in the cylinder with different Fuel-oxygen ratios generated. After ignition of the fuel mixture, the fuel burns in the individual fuel mixture zones different. This is particularly supported by that at least one fuel mixture zone lean or respect fuel is sub-stoichiometric while a second mixed fuel zone slightly rich or respect slightly overstoichiometric is.

Vorzugsweise wird die Erzeugung von für den Schichtbetrieb charakteristischen Kraftstoffgemischzonen mit einem unterschiedlichen Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis durch das Einstellen zumindest eines Einspritzparameters wie z. Bsp. ein Einspritzpunkt, eine Einspritzdauer, ein Einspritzort oder eine Einspritzmenge sowie beliebeige Kombinationen daraus erreicht.Preferably the generation of characteristic for the shift operation Mixed fuel zones with a different fuel-oxygen ratio by adjusting at least one injection parameter such. For example, an injection point, an injection duration, an injection location or achieved an injection quantity and any combinations thereof.

Vorteilhaft hieran ist, dass obwohl das Gesamt-Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis des in dem Zylinder unmittelbar vor der Zündung befindlichen Kraftstoffgemischs größer 1 sein kann, trotzdem fette Kraftstoffgemischzonen in dem Zylinder angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, ein Abgas zu erzeugen, in dem Energieträger, wie z. Bsp. Kohlenmonoxid oder Wasserstoff, vorhanden sind. Diese Energieträger können durch Reaktion mit Sauerstoff auf dem Abgaskatalysators soviel Energie erzeugen, dass der Abgaskatalysator entweder auf eine Betriebstemperatur gebracht werden kann oder auf bzw. oberhalb der Betriebstemperatur gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die niedrige Zündtemperatur der Energieträger, wie z. B. Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen bei einer viel niedrigeren Temperatur mit dem im Abgas enthaltenen Sauerstoff reagieren können und somit auf dem Abgaskatalysator bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen exotherm reagieren können.Advantageous this is because although the overall fuel-oxygen ratio located in the cylinder immediately before ignition Fuel mixture can be greater than 1, anyway rich fuel mixture zones are arranged in the cylinder. Thereby is it possible to produce an exhaust gas in which energy sources, such as Ex. Carbon monoxide or hydrogen, are present. These Energy carriers can by reaction with oxygen generate so much energy on the exhaust catalyst that the exhaust gas catalyst can either be brought to an operating temperature or up or above the operating temperature can be maintained. Another Advantage is the low ignition temperature of the energy carriers, such as As hydrogen and carbon monoxide, compared to the Hydrocarbons at a much lower temperature with the can react in the exhaust gas contained oxygen and thus on the catalytic converter at relatively low temperatures can react exothermically.

Besonders vorteilhaft ist, dass durch ein solches Verfahren die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, die bei niedrigen Abgastemperaturen inhibierend wirken können, vermindert ist.Especially It is advantageous that by such a method the amount of unburned Hydrocarbons which inhibit at low exhaust gas temperatures can act, is diminished.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt und in unmittelbarer Nähe der Zündkerzen eine dritte Einspritzung vorgenommen, die im Bereich der Zündkerze und des Zündfunkens ein zündfähiges, fettes Kraftstoffgemisch erzeugt. Dadurch kann das gesamte im Zylinder befindliche Kraftstoffgemisch mit seinen unterschiedlichen Kraftstoffgemischzonen zuverlässig durch die Zündeinrichtung gezündet werden.In a preferred embodiment is immediately before the ignition point and in the immediate vicinity of Spark plugs made a third injection in the Area of spark plug and spark ignitable, rich fuel mixture generated. This allows the entire fuel mixture in the cylinder Reliable with its different mixed fuel zones ignite the ignition device.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Subclaims, from the drawings and from the associated Description of the figures with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in each case specified combination, but also in other combinations or can be used in isolation, without the scope of the present To leave invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.preferred Embodiments of the invention are in the drawings and will become more apparent in the following description explained, wherein the same reference numerals to the same or similar or functionally identical components relate.

Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:

1 einen Querschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoffgemischzonen, 1 a cross section through a cylinder of an internal combustion engine having a plurality of fuel mixture zones,

2 ein Ventilhub-, Zylinderdruck-Kurbelwinkeldiagramm mit mehreren Einspritzungen. 2 a valve lift, cylinder pressure crank angle diagram with multiple injections.

Wie in 1 dargestellt, ist ein Zylinder 1 mit einem Kolben 2, einem Injektor 3 und einer Zündeinrichtung 4 ausgestattet.As in 1 represented is a cylinder 1 with a piston 2 , an injector 3 and an ignition direction 4 fitted.

Unterteilt man einen Einspritzprozess in zumindest zwei durch den Injektor 3 ausgeführte Einspritzungen so lassen sich durch zeitliche Versetzung der Einspritzungen zumindest zwei Kraftstoffgemischzonen 5, 6, wie z. Bsp. eine homogene Kraftstoffgemischzone 5 und eine Kraftstoffgemischwolke 6, in einem Verbrennungsraum 7 des Zylinders 1 erzeugen. Dabei können die einzelnen Einspritzungen auch als Mehrfacheinspritzungen, z. Bsp. als Doppel- und/oder Dreifacheinspritzungen ausgebildet sein.Dividing an injection process into at least two by the injector 3 executed injections so can be by temporal offset of the injections at least two fuel mixture zones 5 . 6 , such as For example, a homogeneous mixed fuel zone 5 and a mixed fuel cloud 6 in a combustion room 7 of the cylinder 1 produce. The individual injections can also be used as multiple injections, z. For example, be designed as double and / or triple injections.

Die mögliche Anzahl der Einspritzungen hängt dabei von der Bauart des Injektors ab. Bei einem Magnet-Injektor wird man evtl. nur zwei Einspritzungen vornehmen können. Bei Verwendung von Piezo-Injektoren, die in kurzen Abständen kleine Mengen absetzen können, kann die Kraftstoffmenge auch in mehrere, vorzugsweise drei, Einspritzungen aufgeteilt werden. Diese mehreren Einspritzungen können wiederum als Mehrfacheinspritzungen, insbesondere als Dreifacheinspritzung, ausgebildet sein.The possible number of injections depends on this on the type of injector. When a magnet injector is you may only make two injections. at Using piezo injectors at short intervals can settle small amounts, the amount of fuel be divided into several, preferably three, injections. These multiple injections may in turn be considered multiple injections, in particular as a triple injection, be formed.

Gemäß 2 weist eine Ventilhub-Kurbelwinkel-Kurve 7 ein erstes Maximum 8 und ein zweites Maximum 9 auf. Eine Zylinderdruck-Kurbelwinkel-Kurve 10 weist im Bereich eines Kurbelwinkels α = 0 ein Maximum 11 auf. Zwischen einer Y-Achse 12 des Ventilhubs h und dem ersten Maximum 8 ist der Bereich 13 eines Saughubs bzw. eines Ansaugprozesses einer 4-Takt-Brennkraftmaschine angeordnet. Zwischen dem ersten Maximum 8 und dem Maximum 11 der Zylinderdruck-Kurbelwinkel-Kurve 10 liegt der Bereich 14 eines Kompressionshubs bzw. eines Kompressionsprozesses der 4-Takt-Brennkraftmaschine. Der Bereich 15 zwischen dem Maximum 11 und dem zweiten Maximum 9 kennzeichnet eine Expansion des brennenden bzw. verbrannten Kraftstoffgemisches. In einem zwischen dem zweiten Maximum 9 und einer Y-Achse 16 des Zylinderdrucks p angeordneten Bereich 17 wird das Abgas aus dem Zylinder 1 durch den Kolben 2 ausgestoßen.According to 2 indicates a valve lift crank angle curve 7 a first maximum 8th and a second maximum 9 on. A cylinder pressure crank angle curve 10 has a maximum in the range of a crank angle α = 0 11 on. Between a Y-axis 12 the valve lift h and the first maximum 8th is the area 13 a suction stroke or a suction process of a 4-stroke internal combustion engine arranged. Between the first maximum 8th and the maximum 11 the cylinder pressure-crank angle curve 10 lies the area 14 a compression stroke or a compression process of the 4-stroke internal combustion engine. The area 15 between the maximum 11 and the second maximum 9 indicates an expansion of the burning or burned fuel mixture. In one between the second maximum 9 and a Y-axis 16 the cylinder pressure p arranged area 17 the exhaust gas gets out of the cylinder 1 through the piston 2 pushed out.

Vorteilhafterweise wird eine erste Einspritzung 18 im Bereich 13 des Saughubs bzw. Ansaugprozesses ausgeführt. Durch diese erste Einspritzung 18 während des Saughubs bzw. Ansaugprozesses wird die sich über den gesamten Zylinderinnenraum erstreckende, homogene Kraftstoffgemischzone 5 erzeugt. Da bei der ersten Einspritzung 18 in den Saughub bzw. Ansaugprozess eingespritzt wird, ist durch das Ansaugen der Luft und dadurch auftretende Verwirbelungen eine weitgehend homogene Kraftstoffverteilung gewährleistet. Dabei kann soviel Kraftstoff eingespritzt werden, dass sich ein mageres Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ₁ > 1 im gesamten Zylinder einstellt. Durch die Verringerung einer in den Saughub eingespritzten Kraftstoffmenge gegenüber einem konventionellen Homogenbetrieb, bei dem die gesamte Kraftstoffmenge in den Saughub eingespritzt wird, ergeben sich deutlich weniger Wandanlagerungen von Kraftstoff an einer Zylinderinnenwand 19 und in einem Ringspalt 20, wie in 1 gezeigt. Dies führt dadurch, dass die homogene Kraftstoffgemischzone als eine Art Puffer wirkt, zu geringeren Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sowie von Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Dadurch ist bei einem Abbrennen der homogenen Kraftstoffgemischzone 5 ein nahezu vollständiges Verbrennen des Kraftstoffs in der homogenen Kraftstoffgemischzone 5 möglich. Zum anderen wird durch das Abbrennen dieser Zone der Sauerstoffrestgehalt im Abgas vergrößert.Advantageously, a first injection 18 in the area 13 performed the suction stroke or suction process. Through this first injection 18 During the intake stroke or intake process, the homogeneous fuel mixture zone extending over the entire cylinder interior becomes 5 generated. Because at the first injection 18 is injected into the suction stroke or suction, is ensured by the suction of the air and thus occurring turbulence a largely homogeneous distribution of fuel. In this case, so much fuel can be injected that sets a lean fuel-oxygen ratio λ ₁ > 1 in the entire cylinder. By reducing an amount of fuel injected into the intake stroke compared to a conventional homogeneous operation, in which the entire amount of fuel is injected into the intake stroke, significantly less Wandanlagerungen of fuel on a cylinder inner wall 19 and in an annular gap 20 , as in 1 shown. This results in the fact that the homogeneous mixed fuel zone acts as a kind of buffer to lower emissions of unburned hydrocarbons, as well as carbon monoxide and hydrogen. This is when burning the homogeneous fuel mixture zone 5 almost complete combustion of the fuel in the homogeneous mixed fuel zone 5 possible. On the other hand, the burning off of this zone increases the residual oxygen content in the exhaust gas.

Bevorzugt wird eine zweite Einspritzung 21 zumindest teilweise im Bereich 14 des Kompressionshubes bzw. des Verdichtungsprozesses durchgeführt. Dabei wird der eingespritzte Kraftstoff bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 während des Kompressionshubs bzw. Verdichtungsprozesses in Richtung der Zündvorrichtung 4 transportiert. Vorzugsweise wird durch die zweite Einspritzung eine stöchiometrische bis leicht fette, in die homogene Kraftstoffgemischzone 5 eingebettete Kraftstoffgemischwolke 6 erzeugt. Dabei weist die Kraftstoffgemischwolke 6 ein Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ₂ < 1 auf. Durch die Einspritzung zumindest teilweise in den Kompressionshub bzw. in den Verdichtungsprozess wird diese leicht fette Kraftstoffgemischwolke 6 nahe der Zündvorrichtung 4 aufgebaut. Diese leicht fette Kraftstoffgemischwolke 6 gewährleistet eine schnelle und sichere Verbrennung, bei der durch leichten Sauerstoffmangel die Verbrennung des Kraftstoffes unvollständig abläuft. Dadurch entstehen Verbrennungsprodukte wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Beides sind Träger einer hohen Menge an chemischer Energie, die durch Oxidation freigesetzt und in Wärme umgewandelt werden kann.A second injection is preferred 21 at least partially in the field 14 the compression stroke or the compression process performed. In this case, the injected fuel is at an upward movement of the piston 2 during the compression stroke or compression process in the direction of the ignition device 4 transported. Preferably, the stoichiometric to slightly rich, in the homogeneous fuel mixture zone by the second injection 5 embedded fuel mixture cloud 6 generated. In this case, the fuel mixture cloud 6 a fuel-oxygen ratio λ ₂ <1. By injecting at least partially into the compression stroke or in the compression process, this slightly rich fuel mixture cloud 6 near the igniter 4 built up. This lightly rich fuel mix cloud 6 ensures a fast and safe combustion, in which due to slight lack of oxygen, the combustion of the fuel is incomplete. This creates combustion products such as carbon monoxide and hydrogen. Both are carriers of a high amount of chemical energy, which can be released by oxidation and converted into heat.

Da ein Gesamt-Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis der Kraftstoffgemischzonen 5, 6 in dem Zylinder 1 unmittelbar vor der Zündung durch die Zündeinrichtung 4 bzgl. des Kraftstoffes unterstöchiometrisch ausgebildet ist und auch aufgrund der Verbrennung der mageren, homogenen Kraftstoffgemischzone 5 ist im Abgas genügend Sauerstoff vorhanden, so dass die durch das Verbrennen der leicht fetten Kraftstoffgemischwolke 6 auftretenden, durch eine partielle Oxidation entstandenen Energieträger, wie z. Bsp. Kohlenmonoxid und Wasserstoff, auf einem in einem Abgasstrom angeordneten Abgaskatalysator 24 exotherm mit dem Sauerstoff reagieren können.As a total fuel-oxygen ratio of the fuel mixture zones 5 . 6 in the cylinder 1 immediately before ignition by the ignition device 4 With respect to the fuel is formed substoichiometric and also due to the combustion of the lean, homogeneous fuel mixture zone 5 Is sufficient oxygen in the exhaust gas, so that by burning the slightly rich fuel mixture cloud 6 occurring, resulting from a partial oxidation energy sources such. For example, carbon monoxide and hydrogen, on a arranged in an exhaust gas flow catalytic converter 24 can react exothermically with the oxygen.

Eine dritte Einspritzung 22 kann unmittelbar vor einer Zündung 23 des Kraftstoffgemisches durch die Zündeinrichtung 4 erfolgen. Vorzugsweise wird dies bei einem direkteinspritzenden Ottomotor mit einem strahlgeführtem Brennverfahren durchgeführt. Dabei sollte die Lage eines Zeitpunkts der dritten Einspritzung 22 direkt an die jeweilige Zündung 23 gekoppelt werden. Durch diese dritte Einspritzung 22 wird eine kompakte, definiert ausgebildete Kraftstoffgemischzone direkt an der Zündkerze platziert.A third injection 22 may be just before ignition 23 the fuel mixture through the ignition device 4 respectively. This is preferably carried out in a direct-injection gasoline engine with a spray-guided combustion process. Here, the location of a time of the third one injection 22 directly to the respective ignition 23 be coupled. Through this third injection 22 a compact, defined fuel mixture zone is placed directly on the spark plug.

Dadurch soll unter nahezu allen Bedingungen eine sichere Entflammung des Kraftstoffgemisches gewährleistet werden.Thereby should under almost all conditions a safe ignition of the Fuel mixture can be ensured.

Durch mehrere Einspritzungen in oben beschriebener Art und Weise wird eine definierte Schichtung von Kraftstoffgemischzonen 5, 6 mit einer unterschiedlichen Menge an Kraftstoff bzw. mit unterschiedlichen Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnissen erzeugt, wobei die Kraftstoffgemischzonen 5, 6 im Bereich der Zündeinrichtung 4 fett und nach außen zu der Zylinderinnenwand 19 hin mager ausgebildet sind. Je inhomogener dabei eine Gesamtkraftstoffverteilung ist, dass heißt je mehr Kraftstoff erst im Kompressionshub bzw. im Verdichtungsprozess injiziert wird, desto höher sind die Anteile an Restsauerstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Abgas.By multiple injections in the manner described above, a defined stratification of mixed fuel zones 5 . 6 produced with a different amount of fuel or with different fuel-oxygen ratios, wherein the fuel mixture zones 5 . 6 in the area of the ignition device 4 bold and outward to the cylinder inner wall 19 lean are formed. The more inhomogeneous an overall fuel distribution is, that is, the more fuel is injected only in the compression stroke or in the compression process, the higher the proportions of residual oxygen, carbon monoxide and hydrogen in the exhaust gas.

Es kann somit durch Einstellen zumindest eines Einspritzparameters eines Einspritzprozesses, bei dem der Kraftstoff mittels des Injektors 3 in einen Zylinder 1 der Brennkraftmasche eingespritzt wird, nach der Zündung des Kraftstoffes durch die Zündeinrichtung 4 und nach der Verbrennung des Kraftstoffes in dem Zylinder 1 ein Abgasgemisch gebildet werden, das eine so hohe große Menge an Energieträgern, wie z. Bsp. Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff, aufweist, dass der Abgaskatalysator 24 durch exotherme Reaktion der Energieträger mit Sauerstoff auf dem Abgaskatalysator 24 auf die Betriebstemperatur aufgeheizt und/oder auf oder oberhalb der Betriebstemperatur gehalten werden kann.It can thus by adjusting at least one injection parameter of an injection process in which the fuel by means of the injector 3 in a cylinder 1 the combustion engine is injected after the ignition of the fuel by the ignition device 4 and after the combustion of the fuel in the cylinder 1 an exhaust gas mixture are formed, which has such a large amount of energy sources, such. Ex. Carbon monoxide and / or hydrogen, that the catalytic converter 24 by exothermic reaction of the energy carriers with oxygen on the catalytic converter 24 can be heated to the operating temperature and / or maintained at or above the operating temperature.

Die Steuerung der dem Abgaskatalysator 24 zur Verfügung stehenden chemischen Energie kann durch zumindest einen Einspritzparameter, wie z. Bsp. ein Einspritzzeitpunkt, eine Anzahl von Einspritzungen 18, 21, 22, einer Einspritzdauer, ein Einspritzort oder eine Einspritzmenge vorgenommen werden. Dabei kann der jeweilige Einspritzparameter betriebspunktabhängig und/oder in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels und/oder in Abhängigkeit der Katalysatortemperatur des Abgaskatalysators 24 und/oder einer Temperatur des Abgasgemisches gewählt werden.The control of the catalytic converter 24 available chemical energy can by at least one injection parameters, such. Eg an injection time, a number of injections 18 . 21 . 22 , an injection duration, an injection location or an injection quantity. In this case, the respective injection parameter operating point-dependent and / or in dependence of a crank angle and / or in dependence of the catalyst temperature of the catalytic converter 24 and / or a temperature of the exhaust gas mixture are selected.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005044544 A1 [0002]

Claims

Method for operating a direct-injection internal combustion engine, in particular a 4-stroke gasoline engine, in which by an injection process, a fuel by means of an injector ( 3 ) in a cylinder ( 1 ) of the internal combustion engine is injected, wherein after ignition by an ignition device ( 4 ) the fuel in the cylinder ( 1 ), characterized in that by adjusting at least one injection parameter after combustion of the fuel in the cylinder ( 1 ) forms an exhaust gas mixture which has such a large amount of energy carriers that a catalytic converter ( 24 ) by exothermic reaction of the energy sources on the catalytic converter ( 24 ) can be heated to an operating temperature and / or maintained at or above the operating temperature.

A method according to claim 1, characterized in that the injection process at least two, in particular temporally offset, injections ( 18 . 21 . 22 ) having.

Method according to claim 2, characterized in that the injections ( 18 . 21 . 22 ) each as multiple injections, z. B. as double and / or triple injections, are formed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that by the injection process at least two mixed fuel zones ( 5 . 6 ) in the cylinder ( 1 ) are produced with a different fuel-oxygen ratio and / or that the fuel in the individual fuel mixture zones ( 5 . 6 ) burns differently.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one injection parameter as an injection time, an injection duration, an injection location or an injection quantity is pronounced.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the respective injection parameter operating point-dependent and / or in dependence on a crank angle and / or in dependence of the temperature of the catalytic converter ( 24 ) and / or a temperature of the exhaust gas mixture is selected.

Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that at least one first injection ( 18 ) is performed during a suction process.

Method according to claim 7, characterized in that by such a first injection ( 18 ) a homogeneous fuel mixture zone extending over an entire cylinder interior ( 5 ), wherein the homogeneous mixed fuel zone ( 5 ) may have a fuel-oxygen ratio λ ₁ > 1.

Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that at least one second injection ( 21 ) is performed during a compression process.

Method according to claims 8 and 9, characterized in that by such a second injection ( 21 ) in the homogeneous mixed fuel zone ( 5 ) a fuel mixture cloud ( 6 ), wherein the fuel mixture cloud ( 6 ) has a fuel-oxygen ratio λ ₂ <1.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a total fuel-oxygen ratio of the fuel mixture zones ( 5 . 6 ) in the cylinder ( 1 ) has a value greater than 1 immediately before ignition.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a third injection ( 22 ) shortly before ignition ( 23 ) and / or immediately after the third injection ( 22 ) the ignition ( 23 ) he follows.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that by such a third injection ( 22 ), in particular with a defined beam shape, in the region of the ignition device ( 4 ) a fuel enrichment is performed so that a fuel mixture in the region of the ignition device ( 4 ) reliably by the ignition device ( 4 ) can ignite.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least due to the combustion of the fuel mixture cloud ( 6 ) at least one energy carrier, such. As carbon monoxide or hydrogen, remains in the exhaust gas.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in at least two cylinders ( 1 ) immediately before the ignition ( 23 ) a different amount of fuel and / or a different arrangement of the fuel mixture zones ( 5 . 6 ) and / or a different fuel-oxygen ratio in comparable fuel mixture zones ( 5 . 6 ) is present.