DE102009045643A1

DE102009045643A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009045643A1
Application number: DE102009045643A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Guido Porten; Markus Amler; Axel Storch; Andreas Kufferath; Peter Schenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-04-14
Also published as: WO2011045140A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bzw. eine Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei zur Temperaturerhöhung eines Abgases die Zündung nach einem oberen Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine erfolgt. Die Zündung erfolgt durch eine Abfolge von mehreren Zündfunken.

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche hervor. Aus der DE 101 03 059 441 A1 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem relativ späte Zündzeitpunkte verwendet werden, um eine hohe Abgastemperatur zu erzielen. Um dabei trotz eines leicht mageren Gemisches eine gute Entflammung zu gewährleisten, erfolgt unmittelbar vor der Zündung eine Einspritzung, so dass sich vor der Zündkerze ein fettes Zündgemisch befindet. Aus der US 6,176,216 B1 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem in bestimmten Betriebsbereichen ein sehr mageres Luft-Brennstoff-Gemisch verwendet wird. Zur Zündung dieses Gemisches werden Mehrfachzündfunken verwendet.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine haben den Vorteil, dass auch bei sehr späten Zündwinkeln eine zuverlässige Entzündung des im Brennraum eingebrachten Gemisches erfolgt. Durch die erhöhte Entflammbarkeit kann der Zündzeitpunkt zu sehr späten Werten verschoben werden und es kann trotzdem noch ein zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet werden.
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Insbesondere in Verbindung mit einem näherungsweise stöchiometrischen Gemisch können im Vergleich zur üblichen Zündung besonders späte Zündwinkel Verwendung finden. Hierdurch wird die Wärmemenge, die in das Abgas eingebracht wird, optimiert. Es kann so eine beschleunigte Aufheizung der Brennkraftmaschine erfolgen. Besonders bei einem genau stöchiometrischen Betrieb kann ein sehr später Zündwinkel realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen. Bei diesen können dann auch durch Einspritzungen in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine die Verbrennungseigenschaften optimiert werden. Insbesondere eine Einspritzung unmittelbar vor der Zündung ist vorteilhaft, um eine sichere Verbrennung zu gewährleisten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können sehr späte Winkelbereiche von bis zu 40° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt realisiert werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Ansicht einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine und
2 verschiedene Takte des Betriebs der Brennkraftmaschine, die dazugehörigen Einspritzungen und die Zündzeitpunkte.
Beschreibung
In der 1 wird schematisch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine dargestellt. Diese Brennkraftmaschine weist einen Brennraum 1 auf, der von einem Zylinder 2 und einem Kolben 3 gebildet wird. Durch Verbrennen eines Luft-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum 1 wird der Druck im Brennraum 1 erhöht und der Druck wird in eine Bewegung des Kolbens 3 in eine Bewegung der Brennkraftmaschine umgesetzt. Zur Zuführung von frischer Luft in den Brennraum 1 ist eine Luftzuführung 4 vorgesehen, durch die frische Luft in den Brennraum 1 eingebracht wird. Weiterhin ist ein Abgaskanal 5 vorgesehen, durch den die Verbrennungsprodukte aus dem Brennraum 1 abtransportiert werden. Die notwendigen Steuerventile zur Zuführung von frischer Luft über die Luftzuführung 4 bzw. zur Abführung der Abgase durch den Abgaskanal 5 sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine ein Einspritzventil 6 und eine Zündkerze 7 auf. Durch das Einspritzventil 6 wird Kraftstoff, insbesondere Benzin in den Brennraum 1 eingespritzt. Durch die Zündkerze 7 wird das so im Brennraum gebildete Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet, indem an der Zündkerze ein Zündfunke ausgelöst wird. Weiterhin ist in der 1 schematisch noch ein Steuergerät 8 dargestellt, welches über Leitungen 9 mit dem Einspritzventil 6 und der Zündkerze 7 verbunden ist. Das Steuergerät 8 erzeugt Steuersignale, mit denen das Einspritzventil 6 zur Einspritzung von Kraftstoff gesteuert wird oder mit dem die Zündkerze 7 zum Abgeben von Zündfunken gesteuert wird. Die weiteren Details durch Kraftstoffzuführung oder Mittel, eine Hochspannung für den Zündfunken zu erzeugen, sind auch hier aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt. In 1 wird somit ein üblicher Ottomotor, d. h. eine fremdgezündete 4-Takt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung von Kraftstoff dargestellt.
In der 2 wird eine Winkelachse in einem Bereich von –360° bis +180° Kurbelwellenwinkel einer Brennkraftmaschine nach der 1 dargestellt. Mit dem Winkel 0 ist hier der obere Totpunkt (OT) des Kolbens 3 im Zylinder 2, und zwar der sogenannte Zünd-OT (obere Totpunkt) bezeichnet. In dem Winkelbereich von 0° Kurbelwellenwinkel (KW) bis 180° Kurbelwellenwinkel erfolgt der sogenannte Arbeitstakt der Brennkraftmaschine, d. h. der Takt, in dem durch Verbrennen von Kraftstoff in dem Brennraum chemische Energie in mechanische Energie umgesetzt wird. Im Folgenden wird daher der Winkelbereich von 0 bis +180° Kurbelwellenwinkel als Arbeitstakt bezeichnet. Im Bereich von –360° kW bis –180° KW erfolgt der sogenannte Ansaugtakt, d. h. der Bereich, in dem durch eine Abwärtsbewegung des Kolbens 3 frische Luft durch die Luftzuführung 4 in den Brennraum 1 eingesaugt wird. Im Bereich von –180° Kurbelwellenwinkel bis 0° Kurbelwellenwinkel erfolgt der sogenannte Verdichtungstakt, indem die in den Brennraum angesaugte frische Luft bei geschlossenen Ventilen, (d. h. kein Gasaustausch mit der Luftzuführung 4 bzw. dem Abgaskanal 5) eine Verdichtung der in dem Brennraum 1 eingeschlossenen frischen Luft erfolgt.
Bei einem üblichen Betrieb der Brennkraftmaschie erfolgt üblicherweise eine Zündung kurz vor dem Zünd-OT bei 0° Kurbelwellenwinkel, so dass das Druckmaximum der sich daraus ergebenden Verbrennung kurz nach dem Zünd-OT bei 0° Kurbelwellenwinkel erfolgt, um so eine optimale Ausnutzung der durch die Verbrennung frei werdenden Wärme und Umsetzung in Bewegungsenergie zu gewährleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren befasst sich nun mit einem sehr späten Zündzeitpunkt in der Größenordnung von 10° bis 40° Kurbelwellenwinkel, bei dem nur ein Teil der durch die Verbrennung frei werdenden Wärme in Bewegungsenergie umgesetzt wird und ein größerer Teil zur Erwärmung des durch den Abgaskanal 5 abfließenden Abgases benutzt wird. Dadurch, dass aufgrund des späten Zündwinkels ein großer Teil der Ausdehnung des Brennraums durch die Abgasbewegung des Kolbens bereits erfolgt ist, wird die frei werdende Wärme nicht mehr in Bewegungsenergie umgesetzt, sondern das Abgas der Verbrennung behält eine relativ hohe Temperatur, und somit wird auch eine entsprechend große Wärmemenge in den Abgaskanal 5 eingebracht. Entsprechend verringert sich die Antriebsleistung. Die Entflammungseigenschaften können durch die Parameter der Einspritzung und Zündung beeinflusst werden. Je später jedoch die Zündung erfolgt, umso schwieriger ist die Entzündung des Gemisches, da Temperatur und Druck sinken. Durch die mehrfachen Zündfunken wird die Zündwahrscheinlichkeit erhöht.
In der 2 wird der Zeitpunkt der Zündung durch einen Pfeil 100 dargestellt. Wie in der 2 zu sehen ist, wird nicht nur ein einzelner Pfeil 100, sondern mehrere Pfeile 100 gezeigt. Durch diese Darstellung von mehreren Pfeilen 100 wird angedeutet, dass erfindungsgemäß die Zündung nicht mit einem einzelnen Zündfunken, sondern mit einer Mehrzahl von Zündfunken, die unmittelbar aufeinander folgen, erfolgt. Durch diese Maßnahme wird auch zu dem späten Zündzeitpunkt in der Größenordnung von 10° bis 40° nach dem oberen Totpunkt bei 0° Kurbelwellenwinkel (Zünd-OT) eine zuverlässige Entzündung gewährleistet. Wenn nicht schon der erste Zündfunke dieser mehrfachen Zündfunken zu einer Entzündung des Gemisches führt, so wird durch die nachfolgenden Zündfunken abermals die Möglichkeit geschaffen, das Gemisch im Brennraum 1 zu entzünden. Durch die Verwendung der mehrfachen Zündfunken kann daher der Zündzeitpunkt noch weiter nach hinten herausgeschoben werden, als dies bei bisherigen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der Fall war.
Weiterhin kann natürlich dieses Nach-Hinten-Schieben des Zündzeitpunktes bis zu einem spätestmöglichen Kurbelwellenwinkel durch die Wahl einer angepassten Einspritzstrategie unterstützt werden. Dazu werden in der 2 die Einspritzungen 101, 102 und 103 dargestellt. Jeder dieser Blöcke repräsentiert dabei ein Öffnen des Einspritzventils 6, wobei die Länge der Öffnung des Einspritzventils 6 mit unterschiedlichen Einspritzmengen korreliert, da das Einspritzventil 6 abgesehen von einer Öffnungs- und Schließphase nur den Zustand „geöffnet” oder „geschlossen” aufweist. Eine erste Einspritzung 101 erfolgt in dem Ansaugtakt, d. h. in einem Kurbelwellenbereich von –360° bis –180°. In dieser Phase erfolgt eine besonders gute Durchmischung von Kraftstoff und Luft, da die Luft in dieser Phase in den Brennraum 1 einströmt und es daher zu einer sehr guten Verwirbelung des Kraftstoffs in dem Brennraum kommt. Während der Kompressionsphase, d. h. von –180° bis 0° Kurbelwellenwinkel erfolgt eine zweite Einspritzung 102. In dieser Phase wird die im Brennraum eingeschlossene Luft-Kraftstoff-Mischung komprimiert, und es erfolgt keine so starke Durchwirbelung mehr wie in der Ansaugphase. Der während der Einspritzung 102 eingespritzte Kraftstoff wird sich daher im oberen Teil des Brennraumes 1 aufhalten und so zu einer lokalen Anreicherung (Anfettung) von Kraftstoff relativ zur Luft im Bereich der Zündkerze 7 führen. Ein derartiges Gemisch entzündet sich leichter als ein Gemisch mit weniger Kraftstoff relativ zur Luft. Unmittelbar vor den Zündimpulsen 100, d. h. auch nach dem oberen Totpunkt bei 0° und noch vor den mehreren Zündfunken 100 erfolgt eine kurze Einspritzung 103, die bei entsprechender Brennraumgeometrie noch einmal im Bereich der Zündkerze 7 zu einer lokalen Anfettung des Gemisches führt. Durch diese Maßnahmen wird die Zündfähigkeit des Gemischs im Brennraum weiterhin verbessert, was sich ebenfalls positiv auf die Zündung des Gemisches bei sehr späten Zündwinkeln auswirkt. Insgesamt wird jedoch ein stöchiometrischer Betrieb angestrebt, d. h. ein Betrieb, bei dem in dem Brennraum genau die Kraftstoffmenge eingebracht wird, die zu einer vollständigen Reaktion mit der im Brennraum eingeschlossenen Luftmenge führt. Dieser Betriebsbereich, bei dem die Luftmenge genau der Luftmenge entspricht, die für die Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffes erforderlich ist, hat sich als besonders vorteilhaft für die Abgaszusammensetzung herausgestellt. Ein derartiges stöchiometrisches Gemisch von Luft und Kraftstoff kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Mehrfachzündung zu besonders späten Zündzeitpunkten gezündet werden, und es kann so eine optimale Aufheizung des Abgases erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch bei Motoren Verwendung finden, bei denen die Einspritzung im Saugrohr 4 erfolgt. Auch bei derartigen Systemen kann der Zündzeitpunkt in Richtung Spät verschoben werden, um eine Aufheizung des Abgases zu bewirken. Auch hier können dann durch das erfindungsgemäße Verfahren der Mehrfachzündung relativ späte Zündwinkel realisiert werden. Da jedoch nicht die unterstützenden Maßnahmen zur Verfügung stehen, wie dies bei der Direkteinspritzung durch die unterschiedlichen Einspritzstrategien möglich ist, werden bei einem derartigen Motor mit Saugrohreinspritzung allerdings in der Regel nicht so späte Zündwinkel realisiert, wie bei einem direkteinspritzenden Motor.
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 10103059441 A1 [0001]
US 6176216 B1 [0001]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Gemisch von Luft und Kraftstoff in einem Brennraum 1 eingebracht und gezündet wird, wobei zur Temperaturerhöhung eines Abgases des Brennraums (1) die Zündung nach einem oberen Totpunkt eines Kolbens (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zündung eine Abfolge von mehreren Zündfunken (100) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch von Luft und Kraftstoff näherungsweise stöchiometrisch, insbesondere in einem Lambdabereich von 0,9 bis 1,1 ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch von Luft und Kraftstoff in einem Lambdabereich von 0,95 bis 1,05 ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Kraftstoffs in den Brennraum (1) durch direkte Einspritzung in den Brennraum (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Einspritzung (101) in einen Ansaugtakt und eine zweite Einspritzung (102) in einen Verdichtungstakt der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Einspritzung nach dem oberen Totpunkt des Kolbens (3) und vor den Zündfunken (100) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung in einem Winkelbereich zwischen 10° und 40° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt erfolgt.
Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Gemisch von Luft und Kraftstoff in einem Brennraum (1) eingebracht und gezündet wird, wobei zur Temperaturerhörung eines Abgases des Brennraums (1) die Zündung nach einem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8) vorgesehen sind, die für die Zündung eine Abfolge von mehreren Zündfunken (100) erfolgen.