DE102013219982A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Alexander Eichhorn
David Lejsek
Andreas Kufferath
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten 4-Takt Brennkraftmaschine (1) mit Gas als Treibstoff, wobei eine Position eines Kolbens (3) im Brennraum (2) basierend auf der Stellung einer Kurbelwelle (KW) definiert ist und ausgehend vom Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) mit –360°KW und +360°KW zu den Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) angegeben wird, wobei ein Direkteinspritzen des Gases in den Brennraum (2) über eine Einspritzdüse (5) erfolgt, und wobei eine erste Eindüsung zwischen –360°KW und –180°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –280°KW, beginnt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Vier-Takt-Brennkraftmaschine mit Gas als Treibstoff. Des Weiteren werden ein Steuergerät und eine Brennkraftmaschine zum Durchführen des Verfahrens gezeigt.
  • Stand der Technik bei Otto-Motoren ist die saugrohrseitige Einbringung (Eindüsung) von Gas, insbesondere Erdgas (auch: CNG) zur Umsetzung im Brennraum. Es handelt sich dabei um bi-(tri-)valente Systeme, welche neben der Gas-Verwendung auch andere, flüssige Kraftstoffe, wie Benzin oder Ethanol, entweder direkt in den Brennraum oder in das Saugrohr einspritzen. Diese sind auf den Benzinbetrieb optimiert und nutzen das Potential des Gases als Treibstoff nicht vollständig aus.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung durchgeführte Messungen zum direkten Einspritzen (auch: Einblasen oder Eindüsen) von Gas als Brennstoff in den Brennraum haben gezeigt, dass die Wahl der Einblasstrategie einen signifikanten Einfluss auf das Betriebsverhalten des Motors hat. Über die Wahl der Einblasstrategie kann die Zylinderinnenströmung und das Turbulenzniveau im Brennraum und damit die Gemischhomogenisierung, Brenngeschwindigkeit, Laufruhe, Klopfverhalten und Emission sowohl positiv als auch negativ beeinflusst werden. Zusätzlich kann über die Wahl der Einblasstrategie in bestimmten Betriebszuständen eine geschichtete Brennraumfüllung und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis vor allem in Zündkerzennähe beeinflusst werden. Hierdurch kann eine robuste Entflammung und eine gute Laufruhe erreicht werden. Deshalb ist eine genaue Auslegung der Einblasstrategie unerlässlich. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass durch ein direktes Einblasen oder Eindüsen des Gases in den Brennraum ein sehr viel größeres Eindüsfenster, als dies bei Direkteinspritzen von flüssigen Kraftstoffen der Fall ist, zur Verfügung steht. So beginnt erfindungsgemäß eine erste Eindüsung zwischen –360°KW bzw. nach Schließen des Auslassventils, und –180°KW. Vorzugsweise beginnt diese erste Eindüsung zwischen –360°KW und –280°KW. Bei der direkten Gaseindüsung kann also viel früher mit dem Eindüsen begonnen werden. Aufgrund des gasförmigen Treibstoffes besteht nicht die Gefahr einer Benetzung von Oberflächen im Brennraum. Die Zeitpunkte für die Eindüsungen oder beispielsweise für den Zündzeitpunkt (ZP) werden in Abhängigkeit einer Position des Kolbens im Brennraum angegeben. Die Position des Kolbens im Brennraum wiederum bezieht sich auf die Winkelstellung der mit dem Kolben verbundenen Kurbelwelle (KW). Als 0°KW ist der Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) definiert. Ausgehend von diesem Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) liegt bei –360°KW (Kurbelwellenstellung) ein Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) und bei +360°KW ein weiterer Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT). Zwischen dem Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) und dem Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) liegt jeweils ein unterer Totpunkt (UT). Der Viertaktzyklus der Brennkraftmaschine läuft also vom Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) bei –360°KW bis zum nächsten Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) bei +360°KW. Die oben beschriebenen Vorteile werden erreicht durch ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Vier-Takt-Brennkraftmaschine mit Gas als Treibstoff, wobei ein Direkteinspritzen des Gases in den Brennraum über eine Spritzdüse erfolgt und wobei die erste Eindüsung zwischen –360°KW und 180°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –280°KW, beginnt. Bevorzugt endet die letzte Eindüsung wenige Grade vor dem ZZP. Wesentlich bei der Erfindung ist eine an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasste Einblasstrategie für die Gas-Direkteinblasung. Bei bekannten Motoren mit Benzindirekteinspritzung ist eine sehr detaillierte Einspritzstrategie bereits Stand der Technik. Allerdings unterscheidet sich diese Einspritzstrategie in der Zielsetzung erheblich, da die Randbedingungen bei der Einblasung von Gas durch den gasförmigen Kraftstoff völlig anders sind, wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff. Bei der Benzindirekteinspritzung steht meistens vorrangig die Vermeidung von Bauteilbenetzung, wie zum Beispiel Einlassventilen, Zündkerze, Kolben oder Laufbuchse, im Vordergrund, um einen geringen Wandfilm, eine gute Gemischhomogenisierung und damit verbunden niedrige Emissionen zu erreichen. Zusätzlich muss die Wahl des Einspritzzeitpunkts immer früh genug sein, um die Aufbereitung des flüssigen Kraftstoffes in die Gasphase sicherzustellen. Demgegenüber besteht bei vorliegender Erfindung diese Einschränkung nicht, da eine Gasdirekteinblasung erfolgt. Bei der Einblasung des Gases kann gezielt auf die Steigerung der Turbulenz im Brennraum Rücksicht genommen werden. Dies erfolgt vor allem in Zündkerzennähe. Zusätzlich muss die Einblasstrategie so gewählt sein, dass eine Verdrängung von Frischfüllung durch die Gaseinblasung vermieden wird. Außerdem kann erfindungsgemäß eine geschichtete Ladung in Zündkerzennähe erzeugt werden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Im Folgenden werden für unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine verschiedene Eindüsungen, wie beispielsweise eine erste Start-Eindüsung, beschrieben. Die Eindüsungen sind dabei jeweils durchnummeriert und werden entsprechend ihrer Nummerierungen im Zyklus durchgeführt. Anstatt des Begriffs "Eindüsung" kann auch der Begriff "Einblasung" oder "Einspritzung" verwendet werden. Es handelt sich hierbei immer um eine direkte Einbringung des Gases in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
  • Insbesondere zum Start der Brennkraftmaschine ist bevorzugt eine erste Start-Eindüsung vorgesehen, die zwischen –360°KW und –280°KW beginnt. Eine zweite optionale Start-Eindüsung beginnt zwischen –250°KW und –120°KW. Eine dritte optionale Start-Eindüsung beginnt zwischen –90°KW und –30°KW. Das Ende einer vierten optionalen Start-Eindüsung ist in Abhängigkeit des Zündzeitpunktes (ZZP) definiert. Die vierte Starteindüsung endet 10° bis 0°, vorzugsweise 5° bis 1°, vor dem Zündzeitpunkt (ZZP). Die mit Gas betriebene Brennkraftmaschine, insbesondere als Motor in einem Kraftfahrzeug, soll wie gewohnt selbständig mit Hilfe des Anlassers die Leerlaufdrehzahl erreichen. Wenn erfindungsgemäß eine direkte Eindüsung in den Brennraum erfolgt, so kann durch individuelle, an das Systemdruckniveau angepasste, Darstellung der Austrittsöffnungen Einfluss auf das zum Zündzeitpunkt herrschende Turbulenzfeld in Zündkerzennähe ausgeübt werden. Da es zu keiner Benetzung der Zündkerze kommt, können individuelle Zündstrahlen die Flammenkernbildung sehr positiv unterstützen. Dazu ist bevorzugt eine gezielte Auslegung der Injektor- bzw. Spraygeometrie vorgesehen. Die Strategie des Motorhochlaufs sieht hierzu zunächst die Bildung eines Hintergrundgemisches, welches je nach Temperaturniveau des Motors auch abgemagert werden kann, und die kurz vor oder während des Zündvorgangs eingesetzte Eindüsung einer bestimmten Kraftstoffladung für die Ausbildung zusätzlicher Turbulenzen vor. Die beschriebene Strategie mit den bis zu vier Start-Eindüsungen kann für die jeweilige Brennkraftmaschine entsprechend optimiert werden. Entscheidend ist, dass durch den zusätzlichen Freiheitsgrad, nämlich der nicht erfolgenden Benetzung, erhebliche Vorteile und Applikationen des bestehenden Hochdruck-Schichtstartverfahrens möglich sind. Beispielsweise bei einer Start-Stopp-Funktion der Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug wird zur Komfortsteigerung der anlasserunterstützte Direktstart appliziert. Dabei wird in den Brennraum der stehenden Brennkraftmaschine direkt Gas eingebracht und nach entsprechender Bedatung gezündet. Der Anlasser unterstützt dabei einerseits durch Hindrehen der Brennkraftmaschine in die richtige Position und andererseits durch ein zusätzliches Moment den Hochlauf. Insbesondere auch in diesem Anwendungsfall ermöglicht das beschriebene Verfahren mit den bis zu vier Start-Eindüsungen eine Turbulenzerhöhung und einen noch robusteren Startvorgang als dies bei Verwendung von flüssigen Kraftstoffen der Fall ist. Zudem kann damit die sonst übliche Motortemperaturgrenze von ca. 5 bis 7°C des Direktstartes weiter abgesenkt werden.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der ersten Start-Eindüsung 15 bis 45% der Gasmenge eingespritzt wird. Bei der zweiten Start-Eindüsung werden bevorzugt 15 bis 45% der Gasmenge eingespritzt. Bei der dritten Start-Eindüsung werden bevorzugt 15 bis 45% der Gasmenge eingespritzt. Bei der vierten Start-Eindüsung werden bevorzugt 5 bis 15% der Gasmenge eingespritzt. Der Fachmann legt hier ein Verhältnis der Gasmengen bei den bis zu vier Start-Eindüsungen dementsprechend fest, so dass insgesamt 100% der gewünschten Gasmenge für den Zyklus eingespritzt werden. Bei Verwendung von weniger als vier Start-Eindüsungen passt man die Mengen bzw. die Aufteilung entsprechend an.
  • Insbesondere zum Vorheizen eines Katalysators ist vorgesehen, dass eine erste Aufheiz-Eindüsung zwischen –360°KW und –180°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –220°KW, beginnt oder spätestens zwischen –10°KW und +10°KW endet. Eine zweite Aufheiz-Eindüsung beginnt zwischen +10°KW und +35°KW, vorzugsweise zwischen +15°KW und +30°KW. Das Ende der zweiten Aufheiz-Eindüsung ist in Relation zum Zündzeitpunkt (ZZP) definiert. Die zweite Aufheiz-Eindüsung endet bevorzugt im Bereich von 10° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) bis 10° nach dem Zündzeitpunkt (ZZP).
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zündzeitpunkt (ZZP), insbesondere für das Katalysatorheizen, im Bereich von +10°KW bis +35°KW, vorzugsweise von +15°KW bis +30°KW, liegt.
  • Für das Katheizen wird die Strategie einer Haupteinspritzung (erste Aufheiz-Eindüsung) vorgesehen, welche ein leicht mageres, homogenes Grundgemisch erzeugt. Die Lage der ersten Einspritzung wird dabei über einen sehr langen Kurbelwinkelbereich zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Zündungs-Oberer Totpunkt platziert, da aufgrund der Verwendung des Gases keine Gefahr der Bauteilbenetzung auch bei sehr frühen Einblaswinkeln besteht. Beim Aufheizen des Katalysators wird die sehr späte zweite Aufheiz-Eindüsung gewählt, um die Entflammung bei den späten Zündwinkeln durch die Steigerung des Turbulenzniveaus und Anpassung des Kraftstoff-Luftverhältnisses in Zündkerzennähe zu unterstützen und damit die Laufruhe zu verbessern und somit die späten Zündwinkel überhaupt erst zu ermöglichen, und somit einen hohen Enthalpiestrom im Abgas zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Turbulenzniveau im Brennraum sehr niedrig, da die Turbulenz, welche durch einen Brennraumtumble erzeugt wird, schon dissipiert ist. Deshalb wird in einem Bereich von ±10°KW um den Zündzeitpunkt (ZZP) die zweite Aufheiz-Eindüsung abgesetzt (Einspritzende). Hier ist es auch möglich, noch eine dritte Aufheiz-Eindüsung in diesem Bereich abzusetzen. Diese zweite und alternativ auch die dritte Aufheiz-Eindüsung haben zum Ziel, die Turbulenz in Zündkerzennähe zu erhöhen. Zusätzlich wird in Zündkerzennähe eine leicht Kraftstoffreiche Ladungsschichtung erzeugt. Hierdurch wird die Entflammungsstabilität gewährleistet und die Laufruhe verbessert. Durch eine solche Strategie werden die angestrebten späten Zündwinkellagen überhaupt erst möglich. Zusätzlich kann eine Wandbenetzung vollständig vermieden werden und dadurch die Partikelemission beim Aufheizen des Katalysators deutlich gesenkt werden.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der ersten Aufheiz-Eindüsung 65 bis 95% der Gasmenge eingespritzt wird. Bei der zweiten Aufheiz-Eindüsung werden 35 bis 5% der Gasmenge eingespritzt. Der Fachmann vermag hier Wertebereiche zu wählen, die eine Gesamteinspritzung von 100% der benötigten Gasmenge ermöglichen.
  • Insbesondere für den Leerlauf der Brennkraftmaschine ist eine erste Leerlauf-Eindüsung vorgesehen, die zwischen –360°KW und –180°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –220°KW, beginnt. Das Ende der ersten Leerlauf-Eindüsung ist in Relation zum Zündzeitpunkt (ZZP) definiert. Sollte die erste Einspritzung außerhalb des präferierten Bereichs liegen, muss sie spätestens 5° bzw. spätestens 10° vor ZZP beendet sein. Die erste Leerlauf-Eindüsung endet bevorzugt spätestens 5°, vorzugsweise spätestens 10°, vor dem Zündzeitpunkt (ZZP). Eine bevorzugte zweite Leerlauf-Eindüsung endet 1° bis 10° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP). Es kann alternativ auch eine zweite Leerlauf-Eindüsung abgesetzt werden. Diese muss ebenfalls 10° bis 2°KW vor ZZP beendet sein.
  • Der Zündzeitpunkt liegt vorzugsweise im Bereich von –40° KW bis 0° KW, besonders vorzugsweise im Bereich von –30° KW bis –10° KW.
  • Bei der ersten Leerlaufeindüsung werden vorzugsweise 75 bis 99% der Gasmenge eingespritzt. Bei der zweiten Leerlaufeindüsung erfolgt ein Einspritzen von vorzugsweise 1% bis 25% der Gasmenge. Der Fachmann vermag auch hier wieder entsprechende Wertebereiche zu wählen, die eine Einspritzung von 100% der erforderlichen Gasmenge gewährleisten.
  • Im Leerlauf wird eine ähnliche Strategie wie beim Aufheizen des Katalysators verfolgt. Entweder erfolgt der Betrieb homogen mit nur einer Einblasung, welche wiederum über einen sehr breiten Kurbelwinkelbereich zwischen dem Schließen des Auslassventils und 10° KW vor Zündzeitpunkt appliziert werden kann. Die Lage wird dabei so gewählt, dass die Turbulenz gezielt unterstützt wird und dadurch eine gute Entflammung, eine kurze Brenndauer und eine hohe Laufruhe erreicht wird. Die Lage der Einspritzung ist dabei motorabhängig und hängt maßgeblich von der Zylinderinnenströmung ab. Da im Leerlauf jedoch das Turbulenzniveau aufgrund der niedrigen Massenströme und dem damit niedrigen Tumble-Niveau niedrig ist, kann über die bevorzugte zweite Leerlaufeindüsung kurz vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) die Verbrennungsstabilität durch eine Anhebung des Turbulenzniveaus an der Zündkerze deutlich verbessert werden.
  • Insbesondere für den Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ist eine bevorzugte erste Teillasteindüsung vorgesehen, die zwischen –360° KW und –120° KW, vorzugsweise zwischen –360° KW und –220° KW, beginnt und spätestens 5°, vorzugsweise spätestens 10°, vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet. Des Weiteren ist eine bevorzugte zweite Teillast-Eindüsung vorgesehen, die 1° bis 3° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet.
  • Der Zündzeitpunkt (ZZP) für den Teillastbetrieb liegt bevorzugt im Bereich von –40° KW bis 0° KW, besonders vorzugsweise von –30° KW bis –10° KW bzw. so, dass die Lage des Verbrennungsschwerpunkts wirkungsgradoptimal bei 8°KW n. Z0T liegt.
  • Bei der ersten Teillasteindüsung werden vorzugsweise 35% bis 99% der Gasmenge eingespritzt. Bei der zweiten Teillasteindüsung erfolgt eine Einspritzung von bevorzugt 0% bis 65% der Gasmenge. Der Fachmann legt die Wertebereiche wiederum so fest, dass insgesamt 100% der gewünschten Gasmenge im Zyklus eingespritzt werden.
  • In der Teillast kann die Lage der Einspritzung prinzipiell frei zwischen dem Schließen des Auslassventils und bis zu 10° KW vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) variiert werden, wird jedoch bevorzugt so platziert, dass die Einblasung ein Brennraum-Tumble unterstützt und nicht die Einlassströmung der Frischladung hemmt. Wie stark die turbulenzunterstützende oder zerstörende Wirkung ist, hängt neben der Lage der Einblasung auch signifikant von der Sprayform des jeweiligen Injektor-Layouts ab. Eine geringe Beeinflussung der Einlassströmung kann mit größter Wahrscheinlichkeit dann gewährleistet werden, wenn die Einblasung erst nach Schließen des Einlassventils erfolgt. Dann ist der Tumble im Brennraum bereits voll ausgebildet. Zusätzlich kann so ein Rückspülen von Kraftstoff ins Saugrohr, erzeugt durch Pulsation, verhindert werden. Vor allem beim Betrieb mit einem positiven Ventilüberschnitt können so die HC-Emissionen gesenkt werden. Zusätzlich kann über die zweite Teillasteindüsung das Turbulenzniveau in Zündkerzennähe erhöht und die Verbrennungsstabilität verbessert werden. Hierdurch kann die Brenngeschwindigkeit und damit die Restgasverträglichkeit erhöht werden, wodurch in der Teillast höhere interne oder externe Restgasraten gefahren werden können. Hierdurch kann eine weitere Entdrosselung des Motors und damit eine weitere Effizienzsteigerung erreicht werden.
  • Bevorzugt ist auch die Verwendung einer Druckregelung für den Gasdruck bei der Direkteinspritzung vorgesehen. Über diese Druckregelung kann die Dauer der einzelnen Eindüsungen geregelt werden. Die Eindüsdauer wiederum hat einen deutlichen Einfluss auf das Turbulenzniveau im Brennraum und damit auch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine. Ein regelbarer Eindüsdruck stellt somit einen weiteren Einflussparameter bei der Optimierung der Einblasstrategie dar.
  • Im Volllastbetrieb wird vorzugsweise die Zylinderfüllung und damit die Motorleistung erhöht, indem die Eindüsung erst dann erfolgt, nachdem das Einlassventil geschlossen ist. Hierdurch kann verhindert werden, dass durch den Partikeldruck des Gases bis zu 10% Frischfüllung verdrängt werden. Das Ende der Einblasung liegt bevorzugt bei 5 bis 15° KW vor dem Zündzeitpunkt (ZZP). Wird bei höheren Drehzahlen das zur Verfügung stehende Eindüszeitfenster zu kurz, so wird das Ende der Eindüsung bei ca. 10° KW vor Zündzeitpunkt (ZZP) festgehalten und zunehmend zu einem früheren Zeitpunkt verlängert. Die Lage von 10°KW vor ZZP ist abhängig davon, ob zu diesem Zeitpunkt des Zylinderdrucks überhaupt noch eingeblasen werden kann. Ist PZyl > PCNG (Zylinderdruck gößer Druck des Gassystems), sollte das Ende der Einspritzung entsprechend früher liegen. So ist der geringstmögliche Verdrängungseffekt gewährleistet. Zusätzlich kann durch die Einblasung, nachdem das Einlassventil schließt, bei Betriebspunkten mit einem positiven Ventilüberschnitt die HC-Emission signifikant reduziert werden, da so ein Überspülen von unverbranntem Kraftstoff verhindert werden kann.
  • Insbesondere für einen homogenen-mageren Betrieb der Brennkraftmaschine ist eine erste Homogen-Eindüsung vorgesehen, die zwischen –360° KW und –280° KW beginnt. Eine bevorzugte zweite Homogen-Eindüsung beginnt zwischen –70° KW und –30° KW. Eine bevorzugte dritte Homogen-Eindüsung endet zwischen 5° und 0°, vorzugsweise zwischen 3° und 1°, vor dem Zündzeitpunkt (ZZP).
  • Bei der ersten Homogen-Eindüsung werden vorzugsweise 65 bis 95% der Gasmenge eingespritzt. Bei der zweiten Homogen-Eindüsung werden bevorzugt 5 bis 30% der Gasmenge eingespritzt. Bei der dritten Homogen-Eindüsung erfolgt eine Einspritzung von vorzugsweise 5 bis 15%. Die Gesamtgasmenge wird vom Fachmann wieder auf 100% festgelegt.
  • Für den homogenen mageren Betrieb wird mit der ersten Homogen-Eindüsung ein global mageres Gemisch erzeugt. Der Eindüszeitpunkt liegt dabei zwischen dem Schließen des Auslassventils und ca. 50° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP), wird aber so gewählt, dass die Eindüsung tumbleunterstützend wirkt. Durch eine oder zwei weitere homogene Eindüsungen in einem Bereich um den Zündzeitpunkt (ZZP) wird die Turbulenz an der Zündkerze erhöht und eine Ladungsschichtung erzielt. Hierdurch wird die Entflammungsstabilität verbessert. Damit kann die Zündgrenze zu magereren Zuständen hin verschoben werden. Diese Zahl ist für eine Reduktion der NOx-Emissionen notwendig.
  • Im unteren Drehzahlbereich bei hohen Motorlasten im aufgeladenen Betrieb, bei Verwendung eines Abgasturboladers als Aufladeeinheit, ist bevorzugt ein Scavenging-Betrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen. Für diesen Scavenging-Betrieb sind das Auslassventil und das Einlassventil am Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) für einen gewissen Zeitraum gleichzeitig geöffnet. Eine Scavenging-Eindüsung endet bevorzugt 10°KW vor dem ZZP. Es kann eine zweite Scavenging-Eindüsung verwendet werden, welche bevorzugt auch nach dem ZZP beginnt. Alternativ dazu kann die erste Einspritzung so platziert werden, dass sie länger als bis zum ZZP andauert.
  • Es erfolgt eine Einblasung dessen Ende bevorzugt 10°KW vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) liegt und ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luftverhältnis erzeugt. Zusätzlich wird eine zweite Einblasung nach dem Zündzeitpunkt (ZZP) abgesetzt, wobei insbesondere das Ende nach ZZP liegt, so dass ein globales Abgaslambda = 1 erzeugt oder zumindest das Kraftstoff-Luftverhältnis im Abgas abgesenkt wird. Wird auf die zweite Einblasung verzichtet, wird nur die erste Einblasung abgesetzt, die spätestens 10°KW vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet. Der Beginn der Einblasung ergibt sich aus der erforderlichen Kraftstoffmenge. Der Abstand von 10°KW zum Zündzeitpunkt (ZZP) kann sich erhöhen, sofern Pzyl Einblasende > PCNG Einblasende und verschiebt sich soweit nach früh bis Pzyl Einblasende < PCNG Einblasende.
  • Der transiente Lastaufbau bei niedrigen Drehzahlen kann durch das sogenannte Luftdurchspülen (auch: Scavenging) wirksam unterstützt werden. Dabei wird ein Teil der Ladung während des Ladungswechsels vom Einlasstrakt in den Abgaskrümmer gebracht. Dies wird dadurch erreicht, dass das Einlassventil und das Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind. Dadurch erhöht sich der Enthalpiestrom an einem bevorzugt verwendeten Abgasturbolader. Die Turbine des Abgasturboladers kann damit effizienter und mit höherer Leistung betrieben werden und somit über den Verdichter mehr Luftmasse in die Brennkraftmaschine fördern.
  • Da unter den Bedingungen eines über die Brennkraftmaschine, also global, herrschenden stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in der Brennkammer fettes Gemisch umgesetzt wird, werden teilverbrannte Kohlenwasserstoffe und große Mengen CO primär emittiert. Unter günstigen Voraussetzungen oxidieren diese Abgasbestandteile vor dem Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers, unter Verbrauch der dort durch das Durchspülen (Scavenging) vorgelagerten Luft, und erhöhen den Enthalpiestrom und damit die Turbinenleistung zusätzlich stark. Diese Nachreaktion kann insbesondere zur Steigerung des Eckdrehmomentes kleiner Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Insbesondere bei der Verwendung von CNG als Treibstoff werden als primäre Abgasbestandteile CO und CH4 ausgestoßen, welche lediglich unter hohen Temperaturen und günstigen Mischungsverhältnissen im Abgastrakt reagieren können.
  • Da bei der direkten Einbringung des gasförmigen Kraftstoffes keine Benetzung von Bauteilen erfolgt, kann ebenfalls sehr flexibel eine späte Eindüsung zum oder nach dem Zündzeitpunkt (ZZP) abgesetzt werden. Dies wird dahingehend genutzt, dass im Scavenging-Betrieb nach dem Schließen der Einlassventile zunächst ein stöchiometrisches Gemisch in der Brennkammer eingestellt wird. Dieses kann thermodynamisch günstig verdichtet und umgesetzt werden. Das Einstellen des für die Funktion des Drei-Wege-Katalysators notwendigen globalen stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses erfolgt dann mit der Scavenging-Eindüsung mit entsprechender Menge an Gas. Mit dieser Strategie wird zum Zeitpunkt des Öffnens der Auslassventile eine höhere Ladungstemperatur erreicht als im Falle der homogenen Umsetzung eines fetten Gemisches. Das höhere Temperaturniveau begünstigt die Nachreaktion der Abgasbestandteile und führt damit zur Erhöhung des Enthalpiestroms an der Turbine.
  • Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Steuergerät für eine fremdgezündete 4-Takt-Brennkraftmaschine mit Gasdirekteinspritzung in einem Fahrzeug. Das Steuergerät ist dabei zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
  • Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Brennkraftmaschine, ausgebildet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, insbesondere für den Scavenging-Betrieb. Die Brennkraftmaschine umfasst bevorzugt im Abgaskanal, insbesondere im Krümmer, ein Turbulenzbildungselement, vorzugsweise ausgebildet als Gitter. Dieses Turbulenzbildungselement dient zur Begünstigung der Durchmischung der ausgestoßenen Abgasladungen. Durch das gleichzeitige Öffnen des Auslassventils und des Einlassventils im Scavenging-Betrieb strömt eine gewisse Luftmenge direkt in den Abgaskanal. Die Scavenging-Eindüsung nach dem Zündzeitpunkt stellt eine gewisse Gasmenge zur Verfügung. Diese beiden Ladungen müssen miteinander möglichst gut vermischt werden. Hierzu dient das Turbulenzbildungselement im Abgaskanal.
  • Die Erfindung ist kann insbesondere für eine zentrale sowie seitliche Injektor-Einbaulage angewendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2 ein Detail zu 1,
  • 3 das allgemeine Eindüsfenster für das erfindungsgemäße Verfahren,
  • 4 die Eindüsstrategie für den Start,
  • 5 die Eindüsstrategie für das Katalysatorheizen,
  • 6 die Eindüsstrategie für den Leerlauf,
  • 7 die Eindüsstrategie für den Teillastbetrieb,
  • 8 die Eindüsstrategie für einen homogen-mageren Betrieb,
  • 9 die Eindüsstrategie für den Vollastbetrieb,
  • 10 die Eindüsstrategie für den Scavenging-Betrieb, und
  • 11 ein Detail der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt in schematisch vereinfachter Ansicht den Aufbau einer 4-Takt-Brennkraftmaschine 1 mit Gas-Direkteinspritzung.
  • Die Brennkraftmaschine 1 umfasst zumindest einen Brennraum 2, ausgebildet als Zylinder. In dem Brennraum 2 ist ein Kolben 3 beweglich geführt. Der Kolben 3 ist mit einer Kurbelwelle verbunden. Die Winkelstellung der Kurbelwelle definiert auch die Position des Kolbens 3 im Brennraum 2.
  • Des Weiteren ragt in den Brennraum 2 eine Zündkerze 4. Über eine Einspritzdüse 5 wird Gas (CNG) direkt in den Brennraum 2 eingebracht. Ferner sind ein Einlassventil 6 zum Zuführen von Luft und ein Auslassventil 7 zum Ablassen des Abgases vorgesehen. Die Einbaulage des Injektors kann zentral oder seitlich sein.
  • An das Auslassventil 7 schließt sich ein Abgaskanal an. Dieser führt über eine Turbine eines Abgasturboladers 35 zu einem Vorkatalysator 8 und einem Hauptkatalysator 9. Vor den beiden Katalysatoren 8, 9 ist jeweils eine Lambda-Sonde 36 vorgesehen.
  • In dem Abgaskanal, insbesondere zwischen dem Auslassventil 7 und der Turbine des Abgasturboladers 35, kann sich ein Turbulenzbildungselement befinden, ausgebildet aus Gitter 10. Dieses ist nicht zwingend erforderlich, sofern beispielweise auf die Strategie mit einer Einspritzung nach ZZP im Scavenging verzichtet wird. Dieses Gitter 10 wird im Detail anhand von 11 erläutert.
  • Zum Einlassventil 6 führt ein Saugrohr 11. Über dieses Saugrohr 11 wird Luft zugeführt.
  • Die Einspritzdüse 5 ist mit einem Gastank 12 verbunden. In diesem Gastank 12 befindet sich Gas, insbesondere CNG, als Treibstoff. Zwischen Gastank 12 und Fuelrail/Injektor kann sich, je nach Auslegung des Systems, noch ein Druckregler 37 zur Regelung des Druckniveaus befinden. Des Weiteren ist das Einlassventil 6 mit einem Steuergerät 13 verbunden. Dieses Steuergerät 13 dient zum Steuern der gesamten Brennkraftmaschine 1, insbesondere zum Einspritzen des Gases über die Einspritzdüse 5.
  • 2 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung einen möglichen Aufbau der Einspritzdüse 5. Die Einspritzdüse 5 umfasst einen Ventilkörper 14 zum Öffnen und Schließen von einer oder mehreren Düsen 15. Die Düsen 15 haben, wie im Schnitt A-A gezeigt, unterschiedliche Lochformen und Lochquerschnitte. Schnitt B-B zeigt, dass die Düsen 15 einen individuellen Verlauf und eine individuelle Form aufweisen können. Dadurch ist es möglich, über die unterschiedlichen Düsen 15 verschiedene Mengen des Gases an verschiedenen Positionen im Brennraum 2 abzusetzen. Die unterschiedlichen Düsenformen ermöglichen auch ein unterschiedliches Sprühbild über die mehreren Düsen 15 durch unterschiedliche Gasmengen und Eindringtiefen der einzelnen Düsenströmungen in den Brennraum. Der Injektor kann dabei sowohl nach außen, als auch nach innen öffnend sein.
  • Anhand der 3 bis 10 werden nun für unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 die Strategien zum Eindüsen des Gases über die Einspritzdüse 5 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.
  • Die Figuren zeigen jeweils auf einer X-Achse die unterschiedlichen Positionen des Kolbens 3. Als 0° KW (Kurbelwelle) ist dabei der Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) definiert. Bei +/–180° KW liegen die unteren Totpunkte (UT). Bei +/–360° KW liegen die Ladungswechsel-Obere Totpunkte. Ferner ist jeweils der ungefähre Zündzeitpunkt (ZZP) angegeben.
  • 3 zeigt allgemein ein Eindüsfenster 16, das bei der Gasdirekteinspritzung verwendet werden kann. Durch das direkte Einspritzen des Gases kann zu jeder Zeit eingespritzt werden, da beispielsweise nicht auf eine Benetzung von Bauteilen Rücksicht genommen werden muss.
  • 4 zeigt die Strategie beim Start der Brennkraftmaschine 1. Hier sind bis zu vier Start-Eindüsungen 17–20 vorgesehen. Die vierte Start-Eindüsung 20 endet kurz vor dem Zündzeitpunkt (ZZP). Die Abkürzung EOI bezeichnet hier das Ende der Eindüsung (end of injection). Mit den Prozentangaben wird jeweils angegeben, wie viel Prozent der gesamten Gasmenge in den einzelnen Eindüsungen eingedüst wird.
  • 5 zeigt die Strategie für das Aufheizen des Katalysators 8, 9. Hier erfolgt eine erste Aufheiz-Eindüsung 21 und nach dem Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) eine kurze zweite Aufheiz-Eindüsung 22. Der Zündzeitpunkt (ZZP) liegt hier relativ spät, nach dem Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT).
  • 6 zeigt die Strategie für den Leerlauf der Brennkraftmaschine 2. Auch hier wird mit einer ersten Leerlauf-Eindüsung 23 sehr früh begonnen. Die erste Leerlauf-Eindüsung 23 kann bis kurz vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) erfolgen. Eine bevorzugte zweite Leerlauf-Eindüsung 24 endet ca. 1° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP).
  • 7 zeigt die Strategie für einen Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 2. Eingezeichnet sind eine erste Teillast-Eindüsung 25 und eine zweite Teillast-Eindüsung 26. Der Zündzeitpunkt (ZZP) liegt hier vor dem Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT), so dass der Verbrennungsschwerpunkt wirkungsgradoptimal bei ca. 8°KW nach ZOT liegt.
  • 8 zeigt die Strategie für einen homogenen mageren Betrieb der Brennkraftmaschine 1. Hier erfolgen bis zu drei Homogen-Eindüsungen 27–29, wobei die dritte Homogen-Eindüsung 29 kurz vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) in etwa beim Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) endet.
  • 9 zeigt die Strategie für den Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine 1. Hierbei wird bis zu einem Zeitpunkt von etwa 10° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) eingespritzt. Je nach erforderlicher Leistung kann diese Volllast-Eindüsung 30 ca. 10°KW vor ZZP enden. Der Einspritzbeginn ergibt sich aus der erforderlichen Einspritzmenge. Je größer die Menge, desto früher der Einblasbeginn. Das Einspritzende bleibt konstant. Es kann sich ergeben, dass der Einlassbeginn vor EVS liegt. Der Abstand vom Ende der Einblasung zum ZZP ist zusätzlich noch abhängig vom Zylinderdruck und dem CNG-Einblasedruck. Ist PZyl > PCNG, verschiebt sich das Ende soweit nach vorne, bis PCNG Einspritzende > PZyl Einspritzende.
  • 10 zeigt die Strategie zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 für den Scavenging-Betrieb. Eingezeichnet ist der Zeitraum einer Auslassventilöffnung 31 und einer Einlassventilöffnung 32. In etwa beim Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) im Bereich von –360° KW überschneiden sich die Auslassventilöffnung 31 und die Einlassventilöffnung 32, so dass ein Überschneidungsbereich 33 entsteht. In diesem Überschneidungsbereich 33 wird frische Luft direkt in den Abgaskanal befördert. Nach dem Schließen des Einlassventils 6 erfolgt zumindest eine Eindüsung 16 und eine Zündung. Nach dem Zündzeitpunkt (ZZP) erfolgt eine kurze Scavenging-Eindüsung 34. Das Gas der Scavenging-Eindüsung 34 wird nicht durch die erste Zündung im Brennraum 2 gezündet, sondern verlässt teilweise unverbrannt über das Auslassventil 7 den Brennraum 2.
  • Wie bereits in 1 beschrieben, befindet sich hinter dem Auslassventil 7 ein Gitter 10 bei Verwendung der Scavenging-Strategie in 10. 11 zeigt im Detail einen Bereich der Brennkraftmaschine 1. Dabei ist gut zu sehen, dass hinter dem Auslassventil 7 dieses Gitter 10 angeordnet ist. 11 zeigt auch im Detail eine Draufsicht auf dieses Gitter 10. Dieses Gitter 10 dient zum Durchmischen der Frischluft, die während der Überschneidung 33 in den Abgaskanal gefördert wurde, mit der zum Teil vorreagierten Gasladung, die während der Scavenging-Eindüsung 34 abgesetzt wurde.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten 4-Takt Brennkraftmaschine (1) mit Gas als Treibstoff, – wobei eine Position eines Kolbens (3) im Brennraum (2) basierend auf der Stellung einer Kurbelwelle (KW) definiert ist und ausgehend vom Zündungs-Oberer Totpunkt (ZOT) mit –360°KW und +360°KW zu den Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) angegeben wird, – wobei ein Direkteinspritzen des Gases in den Brennraum (2) über eine Einspritzdüse (5) erfolgt, und – wobei eine erste Eindüsung zwischen –360°KW und –180°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –280°KW, beginnt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere zum Start der Brennkraftmaschine (1), – eine erste Start-Eindüsung (17) zwischen –360°KW und –280°KW beginnt, – eine zweite optionale Start-Eindüsung (18) zwischen –250°KW und –120°KW beginnt, – eine dritte optionale Start-Eindüsung (19) zwischen –90°KW und –30°KW beginnt, und – eine vierte optionale Start-Eindüsung (20) zwischen 5° und 0°, vorzugsweise zwischen 3° und 1° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – bei der ersten Start-Eindüsung (17) 15% bis 45% der Gasmenge eingespritzt wird, – bei der zweiten Start-Eindüsung (18) 15% bis 45% der Gasmenge eingespritzt wird, – bei der dritten Start-Eindüsung (19) 15% bis 45% der Gasmenge eingespritzt wird, und – bei der vierten Start-Eindüsung (20) 5% bis 15% der Gasmenge eingespritzt wird, – wobei eine Gesamtmenge von 100% eingespritzt wird.
  4. erfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere zum Katalysatorheizen, – eine erste Aufheiz-Eindüsung (21) zwischen –360°KW und –180°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –220°KW, beginnt und spätestens zwischen –10°KW und +10°KW endet, und – eine zweite Aufheiz-Eindüsung (22) zwischen +10°KW und +35°KW, vorzugsweise zwischen +15°KW und +30°KW, endet und das Ende im Bereich 10° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) bis 10° nach dem Zündzeitpunkt (ZZP) liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) im Bereich von +10°KW bis +35°KW, vorzugsweise von +15°KW bis +30°KW, liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass – bei der ersten Aufheiz-Eindüsung (21) 65% bis 95% der Gasmenge eingespritzt wird, und – bei der zweiten Aufheiz-Eindüsung (22) 35% bis 5% der Gasmenge eingespritzt wird, – wobei eine Gesamtmenge von 100% eingespritzt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im Leerlauf, – eine erste Leerlauf-Eindüsung (23) zwischen –360°KW und –180°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –220°KW, beginnt und spätestens 5°, vorzugsweise 10°, vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet, und vorzugsweise – eine zweite Leerlauf-Eindüsung (24) 1° bis 10° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) im Bereich von –40°KW bis 0°KW, vorzugsweise von –30°KW bis –10°KW, lieg.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass – bei der ersten Leerlauf-Eindüsung (23) 75% bis 99% der Gasmenge eingespritzt wird, und – bei der zweiten Leerlauf-Eindüsung (24) 1% bis 25% der Gasmenge eingespritzt wird, – wobei eine Gesamtmenge von 100% eingespritzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere bei Teillast der Brennkraftmaschine (1), – eine erste Teillast-Eindüsung (25) zwischen –360°KW und –120°KW, vorzugsweise zwischen –360°KW und –220°KW, beginnt und spätestens 5°, vorzugsweise 10°, vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet, und vorzugsweise – eine zweite Teillast-Eindüsung (26) 1° bis 3° vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) im Bereich von –40°KW bis 0°KW, vorzugsweise von –30°KW bis –10°KW, liegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass – bei der ersten Teillast-Eindüsung (25) 35% bis 99% der Gasmenge eingespritzt wird, und – bei der zweiten Teillast-Eindüsung (26) 1% bis 65% der Gasmenge eingespritzt wird, – wobei eine Gesamtmenge von 100% eingespritzt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere für einen homogen mageren Betrieb der Brennkraftmaschine (1), – eine erste Homogen-Eindüsung (27) zwischen –360°KW und –280°KW beginnt, – eine zweite Homogen-Eindüsung (28) zwischen –70°KW und –30°KW beginnt, – eine dritte Homogen-Eindüsung (29) zwischen 5° und 0°, vorzugsweise zwischen 3° und 1°, vor dem Zündzeitpunkt (ZZP) endet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – bei der ersten Homogen-Eindüsung (27) 65% bis 95% der Gasmenge eingespritzt wird, – bei der zweiten Homogen-Eindüsung (28) 5% bis 30% der Gasmenge eingespritzt wird, – bei der dritten Homogen-Eindüsung (29) 5% bis 15% der Gasmenge eingespritzt wird, und – wobei eine Gesamtmenge von 100% eingespritzt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Scavenging-Betrieb am Ladungswechsel-Oberer Totpunkt (LWOT) ein Auslassventil (7) gleichzeitig mit einem Einlassventil (6) der Brennkraftmaschine (1) geöffnet ist.
  16. Steuergerät (13) für eine fremdgezündeten 4-Takt Brennkraftmaschine (1) mit Gas-Direkteinspritzung in einem Fahrzeug, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  17. Brennkraftmaschine, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abgaskanal im Anschluss an das Auslassventil (7), vorzugsweise vor einem Abgasturbolader (8), ein Turbulenzbildungselement, vorzugsweise ein Gitter (10), zur Begünstigung der Durchmischung der ausgestoßenen Abgasladungen angeordnet ist.
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