DE10217238B4 - Verfahren, Computerprogramm, Steuer- und Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, sowie Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem der Kraftstoff direkt in einen Brennraum (14) eingebracht, eine dem Brennraum (14) zugeführte Frischluft vorverdichtet, und die Energie zum Vorverdichten der Frischluft aus dem Abgas entnommen wird, bei dem mindestens eine primäre Einspritzung (52) und eine Nacheinspritzung (58) von Kraftstoff in den Brennraum (14) erfolgt, und bei dem der Brennraum (14) über mindestens ein Auslassventil (24) zeitweise mit einem Abgasbereich (26) verbunden wird, wobei wenigstens zeitweise ein in den Brennraum (14) nacheingespritzter (58) Kraftstoff wenigstens teilweise bei geöffnetem (60) Auslassventil (24) verbrannt wird (62), dadurch gekennzeichnet, dass durch die primäre Einspritzung (52) im Brennraum (14) ein im Wesentlichen homogenes Gemisch erzeugt, Kraftstoff ungefähr im oberen Totpunkt eines dem Brennraum (14) zugeordneten Kolbens nach dem Ausschubtakt bei gleichzeitig geöffnetem Einlassventil (22) und Auslassventil (24) eingespritzt und während der Nacheinspritzung (58) entzündet wird (62).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem der Kraftstoff direkt in einen Brennraum eingebracht, eine dem Brennraum zugeführte Frischluft vorverdichtet, und die Energie zum Vorverdichten der Frischluft aus dem Abgas entnommen wird, bei dem mindestens eine primäre Einspritzung und eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum erfolgt, und bei dem der Brennraum über mindestens ein Auslassventil zeitweise mit einem Abgasbereich verbunden wird, wobei wenigstens zeitweise ein in den Brennraum nacheingespritzter Kraftstoff wenigstens teilweise bei geöffnetem Auslassventil verbrannt wird.
  • Ein solches Verfahren ist aus der DE 197 21 933 A1 bekannt. Diese zeigt ein Verfahren zum Betrieben einer Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung und Abgasturbolader, bei dem eine zusätzliche Einspritzung und eine entsprechende Verbrennung während des Ausschubtaktes erfolgt. Hierdurch soll das Ansprechverhalten des Abgasturboladers im unteren Drehzahlbereich verbessert werden.
  • Ferner ist aus der DE 199 44 190 A1 ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader bekannt. Mit dem beschriebenen Verfahren soll das Anfahrverhalten des Fahrzeugs verbessert werden. Hierzu wird gegen Ende des Expansionshubes eines Kolbens der Brennkraftmaschine eine Nacheinspritzung in den dem Kolben zugeordneten Brennraum initiiert. Dies führt zu einer Erhöhung der Abgasenthalpie für die Turbine des Abgasturboladers.
  • Die bekannten Verfahren basieren auf der Erkenntnis, dass bisherige Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung beim Anfahren bisweilen eine Drehmomentschwäche zeigen. Dies liegt daran, dass der bei einem Anfahrvorgang vorhandene geringe Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine zu einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad sowohl der Turbine als auch des Verdichters des Abgasturboladers führt. Die Folge hiervon ist ein schwacher Ladedruckaufbau mit geringem Drehmomentangebot. In extremen Fahrsituationen, beispielsweise steiler Passfahrt in großer Höhe, kann gegebenenfalls ein Anfahren nicht mehr möglich sein.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei geringer Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine das Drehmomentangebot noch höher ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass durch eine primäre Einspritzung im Brennraum ein im Wesentlichen homogenes Gemisch erzeugt, Kraftstoff ungefähr im oberen Totpunkt eines dem Brennraum zugeordneten Kolbens nach dem Ausschubtakt bei gleichzeitig geöffnetem Einlass- und Auslassventil eingespritzt und während der Einspritzung entzündet wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass bei der Brennkraftmaschine, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, die Ventilöffnungs- und schließzeiten beispielsweise durch eine variable Nockenwellenverstellung verändert werden können. Auf diese Weise kann eine sogenannte "Ventilüberschneidungsphase" realisiert werden. Während dieser Ventilüberschneidungsphase sind das Einlassventil und das Auslassventil eines Brennraums gleichzeitig geöffnet.
  • Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens trägt der Tatsache Rechnung, dass bei geringen Drehzahlen und hohen Lasten eine Schichtung des Kraftstoffes im Brennraum u.U. nicht möglich oder nicht gewünscht ist. Die Brennkraftmaschine wird daher in einem solchen Falle im Betriebszustand "homogen" betrieben. Das durch die primäre Einspritzung erzeugte Kraftstoff-Luftgemisch ist in diesem Fall in etwa stöchiometrisch. Nach der Verbrennung ist dann jedoch keine für eine Nachverbrennung ausreichende Luft- bzw. Sauerstoffmenge mehr im Brennraum vorhanden. Bisher war eine Nachverbrennung zur Enthalpieerhöhung des Abgases in diesem Betriebszustand also nicht möglich.
  • Erfindungsgemäß wird nun ausgenützt, dass bei einer Ventilüberschneidung bei geringen Drehzahlen und Volllast normalerweise ein sogenanntes "positives Spülgefälle" herrscht. Hierunter wird verstanden, dass der Ladedruck größer ist als der Abgasgegendruck vor der Turbine des Turboladers. Dieses Spülgefälle kann gegebenenfalls durch einen elektrischen Lader noch deutlich verbessert werden.
  • In Verbindung mit variablen Ventilsteuerzeiten, wie sie bei einer variablen Nockenwellenverstellung möglich sind, kann dieses positive Spülgefälle während der Ventilüberschneidungsphase dann, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt zwischen Ausschubtakt und Ansaugtakt befindet, zu großen Spülmassenströmen genutzt werden. Dies bedeutet, dass eine große Luftmasse von einem Ansaugrohr durch den Brennraum hindurch in den Abgasbereich der Brennkraftmaschine strömt. Erfolgt nun zeitgleich eine Einspritzung von Kraftstoff, so bildet sich mit der neu herangeführten Frischluft ein brennfähiges Kraftstoff-Luftgemisch. Die erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehene Zündung sorgt dafür, dass dieses Kraftstoff-Luftgemisch entzündet wird und verbrennt.
  • Auch diese Verbrennung führt zu einer deutlichen Erhöhung des Enthalpieangebots an die Turbine des Abgasturboladers mit den bereits genannten Vorteilen. Ein Nebeneffekt dieses Verfahrens besteht darin, dass im Brennraum gegebenenfalls noch vorhandenes Restgas von der vorhergehenden Verbrennung weitgehend ausgespült wird, was, neben der Erhöhung des Massenstroms durch die Turbine, zu einer Verbesserung der Füllung des Brennraums mit Frischluft führt.
  • Grundsätzlich ist es möglich, dass durch eine primäre Einspritzung im Brennraum ein geschichtetes Gemisch erzeugt, Kraftstoff ungefähr in der Mitte eines Ausschubtaktes des Brennraums nacheingespritzt und gegen Ende des Ausschubtaktes entzündet wird. In diesem Fall wird im Brennraum durch die primäre Einspritzung, welche im Schichtbetrieb üblicherweise während des Kompressionstaktes erfolgt, im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges, im übrigen Brennraum jedoch ein sehr mageres Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt. Insgesamt erfolgt die Verbrennung im Schichtbetrieb mit hohem Luftüberschuss. Somit steht für eine Nachverbrennung während des Ausschubtaktes bei geöffnetem Auslassventil ausreichend Verbrennungsluft zur Verfügung.
  • Dieses Verfahren für den Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine und das erfindungsgemäße Verfahren für den Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine können miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise im Leerlauf bei geringer Last die Nacheinspritzung im Schichtbetrieb erfolgen, und nach erfolgtem Lastaufbau und der damit einhergehenden Umschaltung auf den Homogenbetrieb kann die entsprechende Nacheinspritzung im Homogenbetrieb stattfinden.
  • Dabei ist es möglich, die hier angesprochene Nacheinspritzung für eine Verbrennung während des Ausschubtaktes mit der in der DE 199 44 190 A1 angesprochenen Nacheinspritzung und Verbrennung während der Expansionsphase zu kombinieren. Vor allem bei kaltem Motor hat eine zweistufige Nacheinspritzung Vorteile.
  • Im Schichtbetrieb ist es vorteilhaft, wenn der Zeitpunkt der Nacheinspritzung und der Zeitpunkt der Zündung des nacheingespritzten Kraftstoffs gegenüber den Zeitpunkten der primären Einspritzung und Zündung um einen Kurbelwellenwinkel von ungefähr 360° verschoben sind. Dies ist steuerungstechnisch einfach zu realisieren.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene Nacheinspritzung kann entweder anstelle einer Nacheinspritzung während des Expansionstaktes oder zusätzlich zu dieser erfolgen. Eine zweistufige Nacheinspritzung kann beispielsweise bei kaltem Motor erfolgen, da mit ihr günstigere Bedingungen für die für eine Verbrennung bei geöffnetem Auslassventil – also während des Ausschubtaktes – eingespritzte Kraftstoffmenge ermöglicht werden. Dagegen kann bei warmem Motor eine einfache Nacheinspritzung für eine Verbrennung des Kraftstoffs bei geöffnetem Auslassventil während des Ausschubtaktes vorgesehen werden.
  • Durch die Verbrennung von Kraftstoff bei geöffnetem Auslassventil während des Ausschubtaktes werden die Abgastemperatur und die Abgasenthalpie nachhaltig erhöht. Eine in einer Abgasleitung angeordnete Turbine, weiche wiederum einen Turbolader antreibt, der die dem Brennraum zugeführte Frischluft verdichtet, wird daher so stark angetrieben, dass auch bei geringer Drehzahl ein ausreichend hoher Ladedruck zur Verfügung steht und ein ausreichendes Drehmoment von der Brennkraftmaschine erzeugt werden kann. Auch in extremen Situationen, beispielsweise einer steilen Passfahrt eines Kraftfahrzeugs in großer Höhe mit zusätzlich eingeschalteter Klimaanlage, kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
  • In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass Kraftstoff in den Brennraum wenigstens teilweise bei geöffnetem Auslassventil eingespritzt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes vollständig bei geöffnetem Auslassventil erfolgt und die gesamte durch diese Verbrennung erzeugte Enthalpie für den Antrieb der Turbine zur Verfügung steht. Das entsprechende Verfahren arbeitet somit sehr effektiv.
  • Möglich ist auch, dass die bei der Nacheinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge so bemessen wird, dass sich ein ungefähr stöchiometrisches Kraftstoff-Luftgemisch ergibt. Dies hat im Hinblick auf die Schadstoffemissionen Vorteile.
  • Um die sichere Entflammung des nacheingespritzten Kraftstoffes zu gewährleisten, wird auch vorgeschlagen, dass der nacheingespritzte Kraftstoff durch mindestens einen zusätzlichen Zündfunken entzündet wird. Zur Erzeugung dieses mindestens einen zusätzlichen Zündfunkens kann auch auf die Funktionalität einer sogenannten "Funkenbandzündung" zurückgegriffen werden, bei der nacheinander mehrere Zündfunken erzeugt werden.
  • Besonders bevorzugt wird, wenn bei Erreichen eines bestimmten Ladedrucks und/oder eines bestimmten Zeitlimits die Nacheinspritzung für eine Verbrennung bei geöffnetem Auslassventil beendet wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass das erfindungsgemäße Verfahren ja in erster Linie zur Erhöhung eines sehr niedrigen Ladedrucks bei niedrigen Drehzahlen dient. Sobald ein bestimmter Ladedruck erreicht ist und die Brennkraftmaschine ein entsprechendes Drehmoment erzeugen kann, kann auf die Nacheinspritzung zum Schutz vor einer Überlast verzichtet werden. Das angesprochene Zeitlimit dient zum Schutz des Abgastuboladers: Hierdurch wird verhindert, dass die Turbine des Abgasturboladers über einen langen Zeitraum mit sehr heißem Abgas angeströmt und beschädigt werden kann.
  • Weiterhin ist möglich, dass eine Nacheinspritzung von Kraftstoff mindestens dann eingeleitet wird, wenn ein von einem Benutzer der Brennkraftmaschine gewünschtes Drehmoment einen bestimmten Wert mindestens erreicht und die aktuelle Drehzahl der Brennkraftmaschine unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. Weitere Bedingungen und Maßnahmen zur Aktivierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind analog zu den Bedingungen und Maßnahmen möglich, welche in der DE 199 44 190 A1 beschrieben sind. Auf diese wird daher ausdrücklich Bezug genommen.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei diesem wird besonders bevorzugt, wenn es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm der obigen Art abgespeichert ist.
  • Auch eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Brennraum und mit mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, über welche der Kraftstoff direkt in den Brennraum gelangt, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß soll sie ein Steuer- und/oder Regelgerät der obigen Art umfassen.
  • Zeichnung
  • Nachfolgend werden die beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert. Die besonders bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorligenden Erfindung werden durch die Zeichnungen 1, 3 und 4 im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Turbolader;
  • 2: ein Diagramm, in dem der Winkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 1 vor einem oberen Totpunkt Zündung und die entsprechenden Betriebszustände eines Einlassventils, eines Auslassventils, eines Einspritzventils und einer Zündkerze der Brennkraftmaschine von 1 dargestellt sind, wenn diese in einem Schichtbetrieb arbeitet;
  • 3: ein Diagramm ähnlich 2 für den Fall, dass die Brennkraftmaschine von 1 in einem Homogenbetrieb arbeitet; und
  • 4: ein Blockschaltbild, in dem ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1 dargestellt ist.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie entspricht in wesentlichen Punkten der in der DE 199 44 190 A1 dargestellten Brennkraftmaschine, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Brennkraftmaschine 10 ist in ein in der Zeichnung nicht dargestellte Kraftfahrzeug eingebaut und treibt dieses an.
  • Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Motorblock 12 mit vier Zylindern (ohne Bezugszeichen) und entsprechenden Brennräumen 14. Den Brennräumen 14 wird Kraftstoff über Einspritzventile 16 direkt zugeführt. Diese sind an eine gemeinsame Kraftstoff-Sammelleitung, welche auch als "Rail" bezeichnet wird, angeschlossen. In der Kraftstoff-Sammelleitung 18 ist der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert. Die Brennkraftmaschine 10 kann eine Diesel- oder Benzin-Brennkraftmaschine sein. Vorliegend handelt es sich um eine Benzin-Brennkraftmaschine mit jeweils einer Zündkerze 19 pro Zylinder.
  • Frischluft wird den Brennräumen 14 aus einem Ansaugrohr 20 und über Einlassventile 22 zugeführt. Die Einlassventile 22 werden von einer nicht dargestellten Nockenwelle angesteuert. Über Auslassventile 24, welche von einer zweiten Nockenwelle angesteuert werden, gelangen die Verbrennungsabgase aus den Brennräumen 14 in ein Abgasrohr 26. Zwischen dem Ansaugrohr 20 und den Einlassventilen 22 ist eine Drosselklappe 28 angeordnet. Stromaufwärts von der Drosselklappe 28 ist im Ansaugrohr 20 ein Verdichter 30 vorhanden.
  • Im Abgasrohr 26 ist eine Turbine 32 angeordnet, welche über eine in 1 schematisch dargestellte mechanische Verbindung 34 mit dem Verdichter 30 verbunden ist. Die Turbine 32 wird in bekannter Weise von einer Bypassleitung 36 überbrückt, in der ein Bypassventil 38 angeordnet ist. Mit den letztgenannten Komponenten kann die Antriebsleistung der Turbine 32 und somit die an den Verdichter 30 über die mechanische Verbindung 34 übertragene Leistung, letztlich also der vom Verdichter im Ansaugrohr 20 erzeugte Ladedruck, eingestellt werden.
  • Zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist ein Steuer- und Regelgerät 40 vorgesehen. Dieses steuert über in 1 gestrichelt dargestellte Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) die Einspritzventile 16 sowie, über ein nicht dargestelltes Zündsystem, auch die Zündkerzen 19 an. Auch das Bypassventil 38 und ein nicht dargestellter Stellmotor für die Drosselklappe 28 werden vom Steuer- und Regelgerät 40 angesteuert.
  • Eingangsseitig ist das Steuer- und Regelgerät mit einem mit einer Kurbelwelle 42 der Brennkraftmaschine 10 verbundenen Getriebe 44 verbunden. Von diesem erhält das Steuer- und Regelgerät 40 Informationen darüber, ob der Fahrer des Kraftfahrzeugs die Kupplung betätigt und einen Gang eingelegt hat oder, bei einem automatischen Getriebe, ob er eine Fahrstufe eingelegt hat. Außerdem erhält das Steuer- und Regelgerät 40 Signale von einem Sensor 46, welcher die Winkelstellung der Kurbelwelle 42 sowie deren Drehzahl abgreift. Ein Sensor 48 liefert dem Steuer- und Regelgerät 40 Informationen über die Stellung eines Gaspedals, und ein Sensor 50 liefert Informationen über die Stellung eines Bremspedals bzw. den Schaltzustand eines Bremslichts des Fahrzeugs.
  • Die Brennkraftmaschine 10 wird folgendermaßen betrieben (vgl. auch 2 bis 4): Im Normalbetrieb bei geringer Last und vergleichsweise geringer Drehzahl arbeitet die Brennkraftmaschine im "Schichtbetrieb": Hierunter wird verstanden, dass der Kraftstoff von den Einspritzventilen 16 in die ihnen zugeordneten Brennräume 14 durch eine Einspritzung während des Kompressionstaktes so eingespritzt wird, dass er im Brennraum 14 jeweils geschichtet vorliegt. Dies bedeutet, dass in der Nähe der Zündkerzen 19 jeweils ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch vorliegt, wohingegen im übrigen Brennraum 14 ein mageres Kraftstoff-Luftgemisch bis hin zu reiner Luft vorhanden ist. Die entsprechende Einspritzung wird auch als primäre Einspritzung bezeichnet und trägt in 2 das Bezugszeichen 52.
  • Wie aus 2 hervorgeht, erfolgt die primäre Einspritzung bei ungefähr 90° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt Zündung (KW v. ZOT). Die Zündung des im Brennraum 14 geschichteten Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt durch die Zündkerzen 19 kurz vor ZOT (Bezugszeichen 54). Die nach der Expansion aus den Brennräumen 14 in das Abgasrohr 26 abgelassenen Abgase treiben dort die Turbine 32 und über die mechanische Verbindung 34 wieder den Verdichter 30 an. Dieser verdichtet die den Brennräumen 14 zugeführte Frischluft, was sich letztlich leistungs- bzw. drehmomenterhöhend auswirkt.
  • Bei sehr geringer Drehzahl, beispielsweise im Leerlauf, gelangt jedoch nur eine vergleichsweise geringe Abgasmenge in das Abgasrohr 26, so dass die Turbine 32, ohne entsprechende Maßnahmen, auch nur vergleichsweise schwach angetrieben wird. Entsprechend ist auch die Leistung des Verdichters 30 und der erzeugte Ladedruck gering. Unter ungünstigen Umständen, z.B. bei einer steilen Passfahrt in großer Höhe, kann es somit möglich sein, dass das von der Brennkraftmaschine 10 erzeugte Drehmoment nicht ausreicht, um das Fahrzeug aus dem Stand in Bewegung zu versetzen.
  • Um dies zu vermeiden, erfolgen bei dem in 2 dargestellten Diagramm zwei Nacheinspritzungen 56 und 58 von Kraftstoff. Die erste Nacheinspritzung 56 erfolgt während der Expansionsphase eines Brennraums 14, also im Bereich zwischen 0°KW v. ZOT und 540°KW v. ZOT. Diese erste Nacheinspritzung 56 von Kraftstoff erfolgt in das unter hohem Luftüberschuss verbrennende Kraftstoff-Luftgemisch der primären Einspritzung 52 hinein.
  • Durch diese zusätzliche Nacheinspritzung 56 in einen oder mehrere Brennräume 14 wird die Abgasenthalpie erhöht. Der Grund hierfür liegt darin, dass die zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmenge zusammen mit dem aufgrund des vorangegangenen Magerbetriebs vorhandenen hohen restlichen Luftüberschusses in den einzelnen Brennräumen 14 zu einem brennfähigen Gemisch führt. Dieses entzündet sich dann infolge der noch laufenden Verbrennung bzw. der im entsprechenden Brennraum 14 herrschenden hohen Temperatur. Der Anstieg der Abgasenthalpie erhöht die Antriebsleistung der Turbine 32, wodurch der vom Verdichter 30 erzeugte Ladedruck im Ansaugrohr 20 ebenfalls ansteigt. Dies steigert das von der Brennkraftmaschine 10 erzeugte Drehmoment beispielsweise während eines Anfahrvorganges deutlich.
  • In einigen Fällen kann es jedoch sein, dass der vom Verdichter 30 erzeugte Ladedruck im Ansaugrohr 20 immer noch nicht ausreicht, um ein solches Drehmoment zu erzeugen, mit dem das Fahrzeug in Bewegung gebracht werden kann. Daher erfolgt während der Ausschubphase eines Brennraums 14 eine zweite Nacheinspritzung 58 von Kraftstoff in den Brennraum 14. Diese zweite Nacheinspritzung 58 erfolgt also bei geöffnetem Auslassventil 2, was in 2 durch einen Balken mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet ist.
  • Um die Verbrennung des mit der zweiten Nacheinspritzung 58 eingespritzten Kraftstoffes in Gang zu setzen, wird gegen Ende des Ausschubtaktes, kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes (360°KW v. ZOT), an der entsprechenden Zündkerze 19 des Brennraums 14 ein Zündfunke erzeugt (Bezugszeichen 62). Durch die Verbrennung des mit der zweiten Nacheinspritzung 58 eingespritzten Kraftstoffes wird die Abgasenthalpie nochmals erhöht und die Turbine 32 in der Folge mit noch höherer Leistung angetrieben. Entsprechend kann auch vom Verdichter 30 im Ansaugrohr 20 ein höherer Ladedruck erzeugt werden, was wiederum das von der Brennkraftmaschine 10 abrufbare Drehmoment deutlich anhebt. Selbst bei Brennkraftmaschinen 10 mit kleinem Hubraum ist somit gewährleistet, dass ein Anfahren auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen möglich ist.
  • Wie aus 2 hervorgeht, arbeitet die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 aufgrund einer variablen Nockenwellenverstellung mit einer Ventilüberschneidung. Hierunter wird verstanden, dass das Einlassventil 22 eines Brennraums 14 vor Erreichen des oberen Totpunktes nach dem Ausschubtakt öffnet (Bezugszeichen 64) und das Auslassventil 24 erst nach dem Erreichen des oberen Totpunktes nach dem Ausschubtakt schließt. Der Zeitraum, während dem beide Ventile 22 und 24 geöffnet sind, wird als "Ventilüberschneidung" bezeichnet. Durch eine solche Ventilüberschneidung kann die der Turbine 32 zugeführte Gasmenge und die für die Verbrennung des mit der zweiten Nacheinspritzung eingespritzten Kraftstoffs zur Verfügung stehende Sauerstoffmenge nochmals erhöht werden.
  • Wie oben ausgeführt wurde, betrifft 2 den Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 10. Wird eine hohe Last bei niedriger Drehzahl der Kurbelwelle 42 der Brennkraftmaschine 10 angefordert, ist jedoch in vielen Fällen ein Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 10 erforderlich. Bei diesem ist der durch die primäre Einspitzung eingespritzte Kraftstoff in den Brennräumen 14 im Wesentlichen homogen verteilt und erzeugt ein insgesamt stöchiometrisches Kraftstoff-Luftverhältnis.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, wird bei dem dort dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel im Homogenbetrieb auf eine Nacheinspritzung während des Expansionstaktes verzichtet. Stattdessen erfolgt eine Nacheinspritzung 58 ungefähr im oberen Totpunkt des Kolbens eines Brennraums 14 zwischen Ausschubtakt und Ansaugtakt. Die Zündung 62 erfolgt während der Nacheinspritzung 58, kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes. Aufgrund der Verbrennung eines stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemischs ist in den Verbrennungsabgasen nur noch wenig Sauerstoff vorhanden. Um dennoch den nacheingespritzten Kraftstoff verbrennen zu können, wird folgendermaßen vorgegangen:
    In dem angesprochenen niedrigen Drehzahlbereich ist bei hoher Last, also einem hohen gewünschten Drehmoment, der Ladedruck im Ansaugrohr 20 größer als der Abgasgegendruck im Abgasrohr 26 vor der Turbine 32. Dieser Druckunterschied wird auch als "Spülgefälle" bezeichnet und kann gegebenenfalls durch einen zusätzlichen elektrischen Lader noch deutlich verbessert werden. Die Brennkraftmaschine 10 wird nun so betrieben, dass eine vergleichsweise lange Ventilüberschneidungsphase zwischen Ausschubtakt und Ansaugtakt vorliegt.
  • Während dieser Ventilüberschneidungsphase ergibt sich hieraus ein vergleichsweise großer Massenstrom vom Ansaugrohr 20 durch den Brennraum 14 hindurch in das Abgasrohr 26. Erfolgt nun, wie in 3 dargestellt, während der Ventilüberschneidungsphase eine Nacheinspritzung 58 von Kraftstoff, so bildet sich ein brennfähiges Kraftstoff-Luftgemisch, welches durch die Zündung 62 entzündet wird. Auch diese Verbrennung führt zu einer deutlichen Erhöhung des Enthalpieangebotes für die Turbine 32 und somit letztlich zu einer Erhöhung des Ladedrucks im Ansaugrohr 20.
  • Die Aktivierung bzw. die Deaktivierung der Nacheinspritzung 58 erfolgt gemäß einem Verfahren, welches als Computerprogramm im Steuer- und Regelgerät 40 abgelegt ist. Es wird nun anhand von 4 im Detail erläutert:
    Nach einem Startblock 66 wird in einem Block 68 festgestellt, dass sich die Brennkraftmaschine 10 im Leerlauf befindet und eine normale primäre Einspritzung ohne Nacheinspritzungen erfolgt. Im Block 70 wird geprüft, ob die Kupplung des Fahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut ist, betätigt wird. Ist das Ergebnis der Abfrage "ja", wird im Block 72 eine Nacheinspritzung (Bezugszeichen 56 bzw. 58 in den 2 und 3) aktiviert.
  • Im Block 74 wird geprüft, ob der sich im Ansaugrohr 20 einstellende Ladedruck größer als ein Grenzwert ist. Ist dies der Fall, wird im Block 76 die Nacheinspritzung deaktiviert. Ist die Antwort im Block 74 "nein", wird im Block 78 ein Zeitzähler gestartet. Überschreitet die Zeit im Block 80 eine Schwelle, wird im Block 82 die Nacheinspritzung abgebrochen. Es erfolgt ein Rücksprung zum Block 68. Ist die Zeitschwelle im Block 80 noch nicht erreicht, erfolgt ein Rücksprung zum Block 74, in dem geprüft wird, ob der Ladedruck größer ist als ein Grenzwert. Das Verfahren endet nach dem Block 76 in einem Endblock 84.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem der Kraftstoff direkt in einen Brennraum (14) eingebracht, eine dem Brennraum (14) zugeführte Frischluft vorverdichtet, und die Energie zum Vorverdichten der Frischluft aus dem Abgas entnommen wird, bei dem mindestens eine primäre Einspritzung (52) und eine Nacheinspritzung (58) von Kraftstoff in den Brennraum (14) erfolgt, und bei dem der Brennraum (14) über mindestens ein Auslassventil (24) zeitweise mit einem Abgasbereich (26) verbunden wird, wobei wenigstens zeitweise ein in den Brennraum (14) nacheingespritzter (58) Kraftstoff wenigstens teilweise bei geöffnetem (60) Auslassventil (24) verbrannt wird (62), dadurch gekennzeichnet, dass durch die primäre Einspritzung (52) im Brennraum (14) ein im Wesentlichen homogenes Gemisch erzeugt, Kraftstoff ungefähr im oberen Totpunkt eines dem Brennraum (14) zugeordneten Kolbens nach dem Ausschubtakt bei gleichzeitig geöffnetem Einlassventil (22) und Auslassventil (24) eingespritzt und während der Nacheinspritzung (58) entzündet wird (62).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff in den Brennraum (14) wenigstens teilweise bei geöffnetem Auslassventil (24) nacheingespritzt wird (58).
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Nacheinspritzung (58) eingespritzte Kraftstoffmenge so bemessen wird, dass sich ein ungefähr stöchiometrisches Kraftstoff-Luftgemisch ergibt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nacheingespritzte Kraftstoff durch mindestens einen zusätzlichen Zündfunken entzündet wird (62).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines bestimmten Ladedrucks (74) und/oder eines bestimmten Zeitlimits (80) die Nacheinspritzung (58) von Kraftstoff für eine Verbrennung bei geöffnetem Auslassventil (24) beendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung (58) von Kraftstoff mindestens dann eingeleitet wird, wenn ein von einem Benutzer der Brennkraftmaschine (10) gewünschtes Drehmoment einen bestimmten Wert mindestens erreicht und die aktuelle Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.
  7. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
  8. Computerprogramm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
  9. Steuer- und/oder Regelgerät (40) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 7 oder 8 abgespeichert ist.
  10. Brennkraftmaschine (10), mit mindestens einem Brennraum (14), mit mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (16), über welche der Kraftstoff direkt in den Brennraum (14) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuer- und/oder Regelgerät (40) nach Anspruch 9 umfasst.
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