DE102011084545A1

DE102011084545A1 - Verfahren zur Verringerung der Partikelemission einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102011084545A1
Application number: DE102011084545A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lorenz; Klaus Moritz Springer; Jan Mehring; Dr. Ruhland Helmut
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-10-15
Also published as: US9115659B2; CN103047038A; US20130092124A1; DE102011084545B4; CN103047038B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Partikelemission einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (1), bei der jeder Zylinder (1) eine Zündeinrichtung (3) zur Einleitung der Fremdzündung und eine Einspritzvorrichtung (4) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (2) des Zylinders (1) aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Es soll ein Verfahren der oben genannten Art aufgezeigt werden, mit dem die Partikelrohemission reduziert wird, vorzugsweise in einem solchen Umfang, dass eine Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter entfallen kann. Erreicht wird dies durch ein Verfahren der genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Zylinder (1) für mindestens ein Arbeitsspiel (n > 1) zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung (4) überstöchiometrisch (λ > 1) betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Partikelemission einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder eine Zündeinrichtung zur Einleitung der Fremdzündung und eine Einspritzvorrichtung zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, der mit einem homogenen Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Entwicklung hybrider Brennverfahren und basiert auf der Übernahme technischer Merkmale des traditionellen dieselmotorischen Verfahrens, das charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung.
Der geringe Kraftstoffverbrauch eines direkteinspritzenden Dieselmotors resultiert unter anderem aus der direkten Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum des mindestens einen Zylinders.
Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird daher als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
Da durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zur Verfügung steht, sind direkteinspritzende ottomotorische Verfahren wesentlich empfindlicher gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere bei der Einspritzung und der Zündung als herkömmliche ottomotorische Verfahren.
Die Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist auch der Grund dafür, dass die vom dieselmotorischen Verfahren her bekannten Partikelemissionen beim direkteinspritzenden Ottomotor ebenfalls von Relevanz sind, wohingegen diese Emissionen beim traditionellen Ottomotor nahezu keine Bedeutung haben.
Probleme bei der direkten Einspritzung von Kraftstoff bereitet die Verkokung der Einspritzvorrichtung, beispielsweise einer zur Einspritzung verwendeten Einspritzdüse. Dabei Verbrennen kleinste Mengen an Kraftstoff, die beim Einspritzen an der Einspritzvorrichtung haften bleiben, unter Sauerstoffmangel unvollständig. An der Einspritzvorrichtung bilden sich Ablagerungen von Verkokungsrückständen.
Obwohl diese Verkokungsrückstände die Geometrie der Einspritzvorrichtung nicht zwangsläufig verändern, insbesondere nicht zwangsläufig die Durchflußcharakteristik nachteilig beeinflussen und/oder die Ausbildung des Einspritzstrahls behindern und auf diese Weise die Gemischaufbereitung stören, führen die Ablagerungen an der Einspritzvorrichtung zu einer erhöhten Partikelemissionen der Brennkraftmaschine. Die Gründe sind die Folgenden.
In den porösen Verkokungsrückstände lagert sich eingespritzter Kraftstoff ein, der häufig gegen Ende der Verbrennung, wenn der für die Verbrennung bereitgestellte Sauerstoff nahezu aufgebraucht ist, unvollständig verbrennt und Ruß bildet, welcher zur Erhöhung der Partikelrohemissionen der Brennkraftmaschine beiträgt.
Es können sich auch Verkokungsrückstände von der Einspritzvorrichtung ablösen, beispielsweise infolge mechanischer Beanspruchung, bedingt durch eine sich im Brennraum ausbreitende Druckwelle oder Einwirkung des Einspritzstrahls. Die auf diese Weise abgelösten Rückstände erhöhen nicht nur die Partikelrohemission der Brennkraftmaschine, sondern können zu Beschädigungen im Abgasabführsystem führen und beispielsweise die Funktionstüchtigkeit von im Abgasabführsystem vorgesehenen Systemen zur Abgasnachbehandlung beeinträchtigen.
Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, die dem Aufbau von Verkokungsrückständen entgegenwirken sollen und/oder dazu dienen, Ablagerungen von Verkokungsrückständen abzubauen, d. h. den Brennraum von diesen Verkokungsrückständen zu befreien und zu reinigen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 45 813 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem bei Erkennen von Ablagerungen im Brennraum, beispielsweise auf einem Einspritzventil, gezielt Maßnahmen zur Reinigung des Brennraums ergriffen werden. Als Maßnahmen zur Reinigung des Brennraums werden das gezielte Herbeiführen einer klopfenden Verbrennung und/oder das Einbringen einer Reinigungsflüssigkeit in die angesaugte Verbrennungsluft vorgeschlagen. Beide Maßnahmen sind hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen als kritisch anzusehen.
Als besonders vorteilhafte Reinigungsflüssigkeit wird Wasser vorgeschlagen, durch dessen Einspritzung die Verbrennungstemperatur abgesenkt und die Emission an Stickoxiden (NO_x) reduziert werden kann. Die Oxidation von Ruß erfordert aber hohe Temperaturen, so dass die Verkokungsrückstände bei Verwendung von Wasser allenfalls abgelöst, aber nicht verbrannt werden, wodurch die Partikelrohemissionen der Brennkraftmaschine ansteigen anstatt abzunehmen. Zudem ist Korrosion im Brennraum und im Abgasabführsystem zu befürchten und damit Nachteile beim Verschleiß.
Die europäische Patentschrift EP 1 404 955 B1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, deren mindestens einer Brennraum zumindest bereichsweise eine katalytische Beschichtung der Oberfläche zur Oxidation von Verkokungsrückständen aufweist. Die katalytische Schicht soll die Oxidation von Verkokungsrückständen fördern, nämlich eine schnelle Oxidation des kohlenstoffhaltigen Belags an einer Grenzfläche zwischen Katalysator und Belag bei typischen Betriebstemperaturen bewirken und damit eine frühzeitige Ablösung der Ablagerung unter Wirkung der vorhandenen Strömung. Auf diese Weise soll ein Anwachsen der Rückstände reduziert oder sogar vollständig unterdrückt werden.
Die für die Oxidation erforderlichen Mindesttemperaturen werden auch bei Verwendung katalytischer Materialien nicht immer erreicht. Zudem erfordert die Oxidation der Verkokungsrückstände, d. h. von Ruß, nicht nur ausreichend hohe Temperaturen, sondern insbesondere auch Sauerstoff bzw. einen Sauerstoffüberschuß.
Insbesondere bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen können die erforderlichen Temperaturen nicht immer erreicht werden. Es sind aber gerade diese Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, nämlich niedrige Lasten und/oder niedrige Drehzahlen, die die Bildung von Ablagerungen der in Rede stehenden Art fördern, d. h. begünstigen.
Die vorstehend beschriebene Problematik gewinnt noch dadurch an Bedeutung, dass der Gesetzgeber die Grenzwerte für Partikelemissionen ständig weiter verschärft, wobei nicht nur auf die absolute Partikelmasse, sondern insbesondere auf die Anzahl an emittierten Partikeln abgestellt wird.
Verfahren, bei denen der Kraftstoff mittels mehrerer Einspritzungen in den Brennraum des mindestens einen Zylinders eingebracht wird, vermeiden zwar die Benetzung der Brennrauminnenwand mit flüssigem Kraftstoff und tragen auf diese Weise zu einer Reduzierung der Partikelemissionen bei. Derartige Verfahren führen prinzipbedingt aber auch zu einer Erhöhung der Gesamtanzahl an Einspritzungen, wodurch der Ablagerung von Verkokungsrückständen an der Einspritzvorrichtung Vorschub geleistet wird mit den oben ausführlich beschriebenen Nachteilen.
Um zukünftige Grenzwerte für Rußemissionen einzuhalten, könnten grundsätzlich auch fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit regenerativen Partikelfiltern ausgestattet werden, die nach dem Stand der Technik bereits bei Dieselmotoren zur Minimierung der Rußemissionen eingesetzt werden. Dabei werden die Rußpartikel aus dem Abgas herausgefiltert, gespeichert und im Rahmen einer Regeneration des Filters intermittierend verbrannt. Um den Ruß im Filter zu oxidieren, ist Sauerstoff bzw. ein Luftüberschuß im Abgas erforderlich, was beispielsweise durch einen überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.
Die für eine Regeneration des Partikelfilters erforderlichen hohen Temperaturen von etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung, werden bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine aufgrund der im Vergleich zum Dieselmotor hohen Abgastemperaturen schon im normalen Betrieb regelmäßig erreicht.
Im Gegensatz zu den Dieselmotoren, die prinzipbedingt mit einem hohen Luftüberschuß (λ >> 1) betrieben werden, werden Ottomotoren in der Regel mit einem Dreiwegekatalysator ausgestattet, der einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb erfordert. Der Ottomotor erfordert bei Einsatz eines Partikelfilters daher ein Konzept, mit dem der für eine Regeneration des Filters erforderliche Sauerstoff bereitgestellt werden kann.
Da das Vorsehen eines Partikelfilters eine vergleichsweise kostenintensive Maßnahme zur Reduzierung der in die Umgebung emittierten Partikelmenge darstellt, wäre es besonders vorteilhaft, die Partikelrohemissionen einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine in einem solchen Umfang zu verringern, dass eine Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte nicht notwendig ist.
Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verringerung der Partikelemission gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem die Partikelrohemission reduziert wird, vorzugsweise in einem solchen Umfang, dass eine Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte nicht notwendig ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Verringerung der Partikelemission einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder eine Zündeinrichtung zur Einleitung der Fremdzündung und eine Einspritzvorrichtung zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders aufweist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Zylinder für mindestens ein Arbeitsspiel (n > 1) zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung überstöchiometrisch (λ > 1) betrieben wird.
Erfindungsgemäß wird ein zur Reinigung bestimmter Zylinder der Brennkraftmaschine überstöchiometrisch (λ > 1) betrieben, um den für die Oxidation der Koksablagerungen erforderlichen Sauerstoff zur Verfügung zu stellen. Damit wird von einem stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors abgewichen.
Ein Abweichen von dem für eine effektive Abgasnachbehandlung erforderlichen Luftverhältnis λ unter Inkaufnahme höherer Schadstoffemissionen gestattet der Gesetzgeber nur, um eine thermische Überlastung einzelner Komponenten der Brennkraftmaschine zu vermeiden. Dabei wird nach dem Stand der Technik eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen, wenn mit hohen Abgastemperaturen zu rechnen ist. Im Rahmen der Anfettung wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der überschüssige Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt. Diese Vorgehensweise ist zwar unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen, aber dennoch als zulässig und zielführend anerkannt.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mindestens eine Zylinder mit einem Luftverhältnis λ ≤ 1.15 betrieben wird.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mindestens eine Zylinder mit einem Luftverhältnis λ ≤ 1.1, vorzugsweise mit einem Luftverhältnis λ ≤ 1.05, betrieben wird.
Die beiden vorstehenden Ausführungsformen tragen dem Umstand Rechnung, dass ein im Abgasabführsystem angeordneter Dreiwegekatalysator keinen exakt stöchiometrischen Betrieb (λ – 1) des Ottomotors erfordert, sondern lediglich einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1), wobei die Umsetzungsrate um so höher ist, d. h. die Schadstoffkonvertierung um so effektiver ist, je näher das Luftverhältnis λ am stöchiometrischen Betrieb gewählt wird.
Mit Hinblick auf einen im Abgasabführsystem angeordneten Dreiwegekatalysator, wird somit entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform nur eine leichte Abmagerung vorgenommen, um auch während der Reinigung das für die Konvertierung der Schadstoffe im Dreiwegekatalysator erforderliche Luftverhältnis – zumindest annähernd – zu gewährleisten.
Die Wirkungsweise bei einer Abmagerung (λ > 1) des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist ähnlich wie bei einer Anfettung, wobei die Abgastemperaturen ausgehend von einem stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) anfangs zunehmen können. Bei einer Abmagerung wird weniger Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge verbrannt werden könnte, d. h. es wird mehr Luft bereitgestellt als zur Verbrennung des Kraftstoffes erforderlich ist, wobei die überschüssige Luft am Verbrennungsprozeß teilnimmt, d. h. mit erwärmt wird. Dadurch sinkt die Temperatur der Verbrennungsgase. Die Temperaturabsenkung infolge Abmagerung fällt deutlich geringer aus als bei einer Anfettung, weil die überschüssige Luft im Gegensatz zum überschüssigen Kraftstoff nicht verdampft werden muß. Darüber hinaus kann die Abgastemperatur zu Beginn der Abmagerung sogar leicht zunehmen, was im Hinblick auf die Reinigung des mindestens einen Zylinders, d. h. der Oxidation von Verkokungsrückständen, überaus vorteilhaft ist, da die Oxidation neben einem Sauerstoffüberschuß bestimmte Mindesttemperaturen erfordert.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise, d. h. die leichte Abmagerung des für die Reinigung vorgesehenen Zylinders, führt in vorteilhafter Weise zu den für die Oxidation von Verkokungsrückständen erforderlichen Bedingungen, nämlich einem Sauerstoffüberschuß und ausreichend hohen Temperaturen.
Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Partikelrohemissionen einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine spürbar. Gegebenenfalls kann die Partikelrohemission soweit verringert werden, dass eine Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte entbehrlich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, insbesondere ein Verfahren zur Verringerung der Partikelemission gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt, mit dem die Partikelrohemission reduziert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen

– das Luftverhältnis λ durch Reduzierung der eingespritzten Kraftstoffmenge erhöht wird.

Theoretisch könnte das Luftverhältnis λ auch durch eine größere Luftmasse erhöht, d. h. angehoben werden, wobei die Luftmasse üblicherweise durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe variiert und eingestellt wird. Dies würde aber gleichzeitig zu einer Leistungsänderung führen.
Um das Luftverhältnis λ unter Beibehaltung der Leistung zu erhöhen, ist es daher vorteilhaft, die eingespritzte Kraftstoffmenge zu reduzieren, was durch geeignete Ansteuerung der Einspritzvorrichtung des jeweiligen Zylinders erfolgen kann.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Luftverhältnis λ ausgehend von einem stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) erhöht wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen

– die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung des mindestens einen überstöchiometrisch betriebenen Zylinders (λ > 1) angehoben wird, um die Oxidation von Verkokungsrückständen zwecks Reinigung zu unterstützten.

Gemäß der vorstehenden Verfahrensvariante wird die Temperatur der Einspritzvorrichtung durch zusätzliche Maßnahmen gezielt angehoben, so dass auch bei widrigen Randbedingungen, beispielsweise niedrige Lasten und/oder niedrigen Drehzahlen, die für die Oxidation von Verkokungsrückständen erforderlichen Mindesttemperaturen erreicht werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben wird, indem der Zündzeitpunkt nach früh verschoben wird.
Eine Verstellung des Zündzeitpunktes nach früh, d. h ausgehend von einem 720°KW umfassenden Arbeitspiel zu kleineren Kurbelwinkeln hin, verschiebt den Schwerpunkt der Verbrennung und den gesamten Verbrennungsprozeß in die Nähe des oberen Totpunktes bzw. in die Kompressionsphase. Durch diese Maßnahme lassen sich die Prozeßdrücke und Prozeßtemperaturen steigern. Die höheren Verbrennungstemperaturen führen zwangsläufig auch zu höheren Bauteiltemperaturen, insbesondere zu höheren Temperaturen der den Brennraum begrenzenden Bauteile und Wandungen und damit auch zu einer höheren Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben wird, indem der Zündzeitpunkt ausgehend von einem hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimierten Zündzeitpunkt nach früh verschoben wird.
Diese Verfahrensvariante trägt dem Umstand Rechnung, dass die Betriebsparameter einer Brennkraftmaschine vorzugsweise hinsichtlich eines geringen Kraftstoffverbrauchs und eines guten Emissionsverhaltens kalibriert und festgelegt werden.
Dient eine Verschiebung des Zündzeitpunkts nach früh der Anhebung der Temperatur, kann der Zündzeitpunkt nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der in Rede stehenden Variante wieder in den hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimierten Zündzeitpunkt nach spät verschoben werden.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben wird, indem der Anteil der Verbrennungsgase an der Zylinderfrischladung reduziert wird. Bei den Verbrennungsgasen kann es sich um rückgeführtes Abgas und/oder um im Zylinder verbliebenes Restgas handeln.
Zwar steigt in der Regel die Temperatur der Zylinderfrischladung an, wenn der Anteil der Verbrennungsgase zunimmt. Gleichzeitig nimmt aber die Brenngeschwindigkeit, mit der das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach Einleitung der Zündung verbrennt, mit zunehmendem Verbrennungsgasanteil ab. Die verminderte Brenngeschwindigkeit führt zu kleineren Prozßdrücken und niedrigeren Prozeßtemperaturen. Umgekehrt lassen sich die Prozeßtemperaturen steigern, indem der Anteil der Verbrennungsgase an der Zylinderfrischladung reduziert wird. Die höheren Prozeßtemperaturen führen, wie bereits beschrieben, zu höheren Bauteiltemperaturen, insbesondere auch zu einer höheren Temperatur der Einspritzvorrichtung.
Aus den genannten Gründen sind bei Brennkraftmaschinen, die mit einer Abgasrückführung ausgestattet sind, Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben wird, indem die mittels Abgasrückführung rückgeführte Abgasmenge reduziert wird.
In diesem Zusammenhang sind – alternativ oder zusätzlich – auch Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben wird, indem die in dem mindestens einen Zylinder nach einem Ladungswechsel verbleibende Restgasmenge reduziert wird. Die Gründe sind die bereits Genannten.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einer zumindest teilweise variablen Ventilsteuerung ausgestattet sind, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Restgasmenge durch Verkleinerung der Ventilüberschneidung reduziert wird.
Ist die Brennkraftmaschine mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben wird, indem die Temperatur der Kühlflüssigkeit der Flüssigkeitskühlung angehoben wird. Je weniger Wärme mittels Kühlflüssigkeit abgeführt wird, desto höher sind die Bauteiltemperaturen und damit auch die Bauteiltemperatur der vorliegend relevanten Einspritzvorrichtung. Darüber hinaus lagert sich durch das Anheben der Temperatur der Kühlflüssigkeit weniger Kraftstoff in den Verkokungsrückständen ein bzw. ab.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet sind, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben wird, indem die Ladeluftkühlung umgangen wird.
Häufig wird bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters in der Ansaugleitung vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt dabei eine Verdichtung durch Kühlung.
Soll hingegen die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung angehoben werden, ist es vorteilhaft, die Ladeluftkühlung entsprechend der vorliegenden Verfahrensvariante zu umgehen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mindestens eine Zylinder bei Erkennen einer vorgebbaren Menge von an der Einspritzvorrichtung abgelagerten Verkokungsrückständen zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung in den überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) überführt wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Menge von an der Einspritzvorrichtung abgelagerten Verkokungsrückständen mittels Rechenmodell abgeschätzt wird und die auf diese Weise ermittelte Menge mit der vorgebbaren Menge verglichen wird, wobei die Reinigung durch Überführung des mindestens einen Zylinders in den überstöchiometrischen Betrieb eingeleitet wird, sobald die vorgebbare Menge überschritten wird.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mindestens eine Zylinder zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung in den überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) überführt wird, sobald eine vorgebbare Betriebsdauer der Brennkraftmaschine überschritten wird oder eine vorgebbare Fahrstrecke von einem die Brennkraftmaschine verwendenden Fahrzeug absolviert wurde.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen für jeden Zylinder, der zwecks Reinigung überstöchiometrisch (λ_überstöch > 1) betrieben wird, ein Zylinder der Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch (λ_unterstöch < 1) betrieben wird, vorzugsweise mit λ_unterstöch ≈ 2 – λ_überstöch.
Bei dieser Verfahrensvariante ist es vorteilhaft, das Abgas des überstöchiometrisch betriebenen Zylinders und das Abgas des unterstöchiometrisch betriebenen Zylinders stromaufwärts der Abgasnachbehandlungssysteme, insbesondere eines im Abgasabführsystem vorgesehenen Dreiwegekatalysators, zusammenzuführen, so dass unverbrannte Abgaskomponenten, die aus dem unterstöchiometrisch betriebenen Zylinder stammen, mit dem überschüssigen Sauerstoff aus dem überstöchiometrisch betriebenen Zylinder oxidiert werden können und der Dreiwegekatalysator mit einem Abgasstrom beaufschlagt wird, der durch ein Gesamtluftverhältnis λ_ges ≈ 1 gekennzeichnet ist.
Vorteilhaft sind aus denselben Gründen auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mindestens eine Zylinder, der für n Arbeitsspiele zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung überstöchiometrisch (λ_überstöch > 1) betrieben wird, im Anschluss an die Reinigung für n Arbeitsspiele unterstöchiometrisch (λ_unterstöch < 1) betrieben wird, vorzugsweise mit λ_unterstöch ≈ 2 – λ_überstöch.
Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Verfahrensvariante, bei der Abgas unterschiedlicher Zylinder zusammengeführt bzw. gemischt wird, um einen Abgasstrom mit einem stöchiometrischen Luftverhältnis zu erzeugen, wird vorliegend das Abgas desselben Zylinders verwendet. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich das Abgas der unter Sauerstoffmangel absolvierten Arbeitsspiele mit dem Abgas der mit einem Sauerstoffüberschuß durchgeführten Arbeitsspiele im Abgasabführsystem mischt und einen Abgasstrom mit einem stöchiometrischen Luftverhältnis bildet, bevor das Abgas die Abgasnachbehandlungssysteme erreicht.
Bei Brennkraftmaschinen mit einer ungeraden Zylinderanzahl kann prinzipbedingt nicht für jeden Zylinder, der zwecks Reinigung überstöchiometrisch (λ_überstöch > 1) betrieben wird, ein Zylinder der Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch (λ_unterstöch < 1) betrieben werden.
Wenn die einzelnen Zylinder aber in geeigneter Weise abwechselnd überstöchiometrisch bzw. unterstöchiometrisch betrieben werden, läßt sich auch bei einer ungeraden Zylinderanzahl ein Gesamtabgasstrom generieren, der durch ein stöchiometrisches Luftverhältnis λ ≈ 1 gekennzeichnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Reinigung bei niedriger Last und niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Wie bereits erwähnt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren den Ablagerungen von Verkokungsrückständen auch im Teillastbetrieb entgegengewirkt werden. Das Verfahren bei niedriger Last und niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine gemäß der in Rede stehenden Verfahrensvariante durchzuführen, ist vorteilhaft, da diese Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Bildung und die Ablagerung von Verkokungsrückständen begünstigen. Bei niedriger Last und niedriger Drehzahl ist daher der Bedarf für ein Verfahren zur Entfernung dieser Ablagerungen besonders groß.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Einspritzdruck, mit dem die Einspritzvorrichtung Kraftstoff in den Brennraum einspritzt, erhöht wird, um die Reinigung mittels Oxidation zu unterstützen. Dabei wird davon ausgegangen, dass der in den Brennraum eintretende Kraftstoffstrahl auf die Ablagerungen einwirkt und die Ablagerungen teilweise ablöst, wobei die Wirkung des Kraftstoffstrahls mit dem Einspritzdruck zunimmt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen keine Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter durchgeführt wird. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass die Kosten für einen Partikelfilter entfallen, wobei die Partikelrohemission in einem solchen Umfang zu reduzieren sind, dass die gesetzlichen Grenzwerte eingehalten werden.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich eine fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem, eine Zündeinrichtung zur Einleitung der Fremdzündung und eine Einspritzvorrichtung zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders aufweist und die dadurch gekennzeichnet ist, dass im Abgasabführsystem kein Partikelfilter zur Abgasnachbehandlung vorgesehen ist.
Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die hinsichtlich des Verfahrens gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung zumindest bereichsweise eine katalytische Beschichtung zur Oxidation von Verkokungsrückständen aufweist.
Der Einsatz katalytischer Materialien unterstützt die Reinigung, indem die für die Oxidation von Verkokungsrückständen erforderliche Mindesttemperatur gesenkt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch im Querschnitt den Brennraum eines Zylinders.
1 zeigt schematisch im Querschnitt den Brennraum 2 eines Zylinders 1. Der Zylinder 1 verfügt zur Aufnahme eines Kolbens 5 über eine Zylinderbohrung bzw. ein Zylinderrohr 1a. Der Kolben 5 wird axial beweglich in dem Zylinderrohr 1a geführt und bildet zusammen mit dem Zylinderrohr 1a und dem Zylinderkopfdach 1b den Brennraum 2 des Zylinders 1 aus.
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase aus dem Zylinder 1 via Abgasleitung 7 und das Füllen der Brennraums 2 mit Ladeluft über die Ansaugleitung 6. Um den Ladungswechsel zu steuern, werden ein Auslaßventil 7a und ein Einlaß ventil 6a verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Abgasleitung 7 und die Ansaugleitung 6 freigeben und verschließen.
Der in 1 dargestellte Zylinder 1 verfügt über eine Fremdzündung und eine Direkteinspritzung, wobei im Zylinderdach 1b eine als Zündeinrichtung 3 dienende Zündkerze 3a und eine als Einspritzvorrichtung 4 dienende Einspritzdüse 4a zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 2 des Zylinders 1 vorgesehen sind.
Die Einspritzdüse 4a weist zumindest bereichsweise eine katalytische Beschichtung 8 zur Oxidation von Verkokungsrückständen auf. Um die Oxidation von Verkokungsrückständen zwecks Reinigung einzuleiten und zu unterstützten, wird der Zylinder 1 für mindestens ein Arbeitsspiel (n > 1) überstöchiometrisch (λ > 1) betrieben.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
1a: Zylinderrohr
1b: Zylinderdach
2: Brennraum
3: Zündeinrichtung
3a: Zündkerze
4: Einspritzvorrichtung
4a: Einspritzdüse
5: Kolben
6: Ansaugleitung
6a: Einlaßventil
7: Abgasleitung, Abgasabführsystem
7a: Auslaßventil
8: katalytische Beschichtung
λ: Luftverhältnis
n: Anzahl der Arbeitsspiele

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19945813 A1 [0016]
EP 1404955 B1 [0018]

Claims

Verfahren zur Verringerung der Partikelemission einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (1), bei der jeder Zylinder (1) eine Zündeinrichtung (3) zur Einleitung der Fremdzündung und eine Einspritzvorrichtung (4) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (2) des Zylinders (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Zylinder (1) für mindestens ein Arbeitsspiel (n > 1) zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung (4) überstöchiometrisch (λ > 1) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1) zwecks Reinigung mit einem Luftverhältnis λ ≤ 1.15 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1) zwecks Reinigung mit einem Luftverhältnis λ ≤ 1.1 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1) zwecks Reinigung mit einem Luftverhältnis λ ≤ 1.05 betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Luftverhältnis λ durch Reduzierung der eingespritzten Kraftstoffmenge erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – das Luftverhältnis λ ausgehend von einem stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung (4) des mindestens einen überstöchiometrisch (λ > 1) betriebenen Zylinders (1) angehoben wird, um die Oxidation von Verkokungsrückständen zwecks Reinigung zu unterstützten.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung (4) angehoben wird, indem der Zündzeitpunkt nach früh verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung (4) angehoben wird, indem der Zündzeitpunkt ausgehend von einem hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimierten Zündzeitpunkt nach früh verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteiltemperatur der Einspritzvorrichtung (41) angehoben wird, indem der Anteil der Verbrennungsgase an der Zylinderfrischladung reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1) bei Erkennen einer vorgebbaren Menge von an der Einspritzvorrichtung (4) abgelagerten Verkokungsrückständen zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung (4) in den überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) überführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1) zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung (4) in den überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) überführt wird, sobald eine vorgebbare Betriebsdauer der Brennkraftmaschine überschritten wird oder eine vorgebbare Fahrstrecke von einem die Brennkraftmaschine verwendenden Fahrzeug absolviert wurde.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (1), der zwecks Reinigung überstöchiometrisch (λ_überstöch > 1) betrieben wird, ein Zylinder (1) der Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch (λ_unterstöch < 1) betrieben wird, vorzugsweise mit λ_unterstöch ≈ 2 – λ_überstöch.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1), der für n Arbeitsspiele zwecks Reinigung der Einspritzvorrichtung (4) überstöchiometrisch (λ_überstöch > 1) betrieben wird, im Anschluss an die Reinigung für n Arbeitsspiele unterstöchiometrisch (λ_unterstöch < 1) betrieben wird, vorzugsweise mit λ_unterstöch ≈ 2 – λ_überstöch.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter durchgeführt wird.
Fremdgezündete direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Zylinder (1), bei der jeder Zylinder (1) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (7), eine Zündeinrichtung (3) zur Einleitung der Fremdzündung und eine Einspritzvorrichtung (4) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasabführsystem (7) kein Partikelfilter zur Abgasnachbehandlung vorgesehen ist.