DE10320848A1

DE10320848A1 - Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10320848A1
Application number: DE10320848A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Altenschmidt
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-10
Also published as: DE10320848B4; WO2004099598A1; US7404390B2; US20070251497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei dem in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine die Kraftstoffeinspritzung derart gestaltet wird, dass eine erste, eine zweite und gegebenenfalls eine dritte Teilmenge während des Kompressionshubes der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingebracht werden, wobei die Einspritzung der letzten Teilmenge bei einem Kurbelwinkel beendet wird, der in einem Bereich zwischen -2 DEG KW und 20 DEG KW vor dem Zündzeitpunkt liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei dem der Kraftstoff vorwiegend im Kompressionshub in mehreren Teilmengen in einen Brennraum eingespritzt wird.
Beim Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden zur Verbesserung der Gemischbildung eine Reihe von Maßnahmen vorgenommen, um insbesondere in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine eine sichere Zündung zu erzielen. Durch eine Taktung der Kraftstoffeinspritzung wird oftmals versucht, einen gezielten Einfluss auf die Gemischbildung vorzunehmen.

Aus der Patentschrift DE 198 577 85 C2 ist ein Verfahren zur Gemischbildung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem eine dreistufige Kraftstoffeinspritzung ohne Einspritzunterbrechung vorgenommen wird, bei der eine Hauptkraftstoffmenge über eine Zusatzkraftstoffmenge mit einer Zündkraftstoffmenge verbunden wird.

Bei den bekannten Verfahren wird oftmals kein optimaler Verbrennungsvorgang bei den modernen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung erzielt, da ein Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine ohne Zündaussetzer nicht gewährleistet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, den Einspritzvorgang derart zu gestalten, dass eine zündfähige Gemischwolke in der Nähe einer Zündquelle gebildet wird, um ein verbessertes Betriebsverhalten ohne Zündaussetzer zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erste erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch, dass in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine die Kraftstoffeinspritzung derart gestaltet wird, dass eine erste, eine zweite und gegebenenfalls eine dritte Teilmenge in einem Kompressionshub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingebracht werden, und die Zündung des gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemischs nach der Beendigung der zuletzt eingebrachten Teilmenge vorgenommen wird, wobei mit der Einspritzung der letzten Teilmenge bei einer Kurbelwinkelposition von –2°KW bis 20°KW vor der Zündung begonnen wird. D.h., der Zündzeitpunkt kann 2°KW vor Beginn der Einspritzung oder 2°KW vor dem Einspritzende der letzten Teilmenge bis 20°KW nach Beginn der Einspritzung der letzten Teilmenge vorgenommen werden. Vorzugsweise wird mit der Einspritzung der letzten Teilmenge bei einer Kurbelwinkelposition von 5°KW bis 20°KW vor der Zündung begonnen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die letzte Teilmenge entweder die zweite Teilmenge bei Einbringung der gesamten Kraftstoffmenge in zwei Teilmengen oder die dritte Teilmenge bei Einbringung der gesamten Kraftstoffmenge in drei Teilmengen. Es ist denkbar, dass die erste Teilmenge im Ansaughub vorzugsweise zwischen 200°KW und 300°KW vor einem oberen Totpunkt vorgenommen wird. Durch die zweite und gegebenenfalls die dritte Teilmenge wird anschließend in der Nähe der Zündkerze kurz vor der Zündung eine zündfähige Kraftstoff/Luft-Wolke gebildet, mit der die Zündung des gesamten Gemisches zuverlässig bewerkstelligt werden kann. Die Lage und Eigenschaften der zündfähigen Gemischwolke werden durch den Einspritzzeitpunkt der letzten Teilmenge positiv beeinflusst, wodurch überwiegend in allen Lastbereichen ein Schichtladebetrieb optimal gestaltet werden kann. Hierbei kann eine weitere Minimierung der unerwünschten Zündaussetzer verwirklicht werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Dauer zwischen dem Einspritzbeginn der zweiten Teilmenge und dem Einspritzende der ersten Teilmenge etwa 0,1 ms bis 1 ms. Dabei wird eine Dauer zwischen dem Einspritzende der zweiten Teilmenge und dem Zündzeitpunkt oder zwischen dem Einspritzende der dritten Teilmenge und dem Zündzeitpunkt festgelegt, so dass die Lage der ersten und der zweiten bzw. der dritten Einspritzung über einen zeitlichen Abstand zum Einspritzbeginn bzw. zum Einspritzende der zweiten oder der dritten Einspritzung festgelegt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Dauer zwischen dem Einspritzbeginn der dritten Teilmenge und dem Einspritzende der zweiten Teilmenge etwa 0,15 ms bis 1 ms. Insbesondre bei hohen Lasten, z.B. mit einem effektiven Mitteldruck P_me größer als 3 bar, kann die Kraftstoffmasse der ersten Teilmenge zwischen 10% und 70% der gesamten Kraftstoffmasse variieren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine nach außen öffnende Einspritzdüse verwendet, so dass der Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse in Form eines Hohlkegels in den Brennraum eingespritzt wird. Hierbei wird eine zündfähige Gemischwolke in etwa allen Drehzahl- und Lastbereichen bereitgestellt, so dass ein Auftreten von Zündaussetzern verhindert wird.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Kennfelddiagramm einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine,
2 ein schematisches Diagramm des Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine aus 1 im Schichtladebetrieb aufgetragen über dem Kurbelwinkel.
Eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung weist mindestens einen Zylinder auf, in dem ein Brennraum zwischen einem im Zylinder längsverschieblich gehaltenen Kolben und einem Zylinderkopf gebildet ist. Die Längsbewegung des Kolbens erstreckt sich zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT. Die Brennkraftmaschine arbeitet nach dem 4-Takt-Prinzip, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls für fremdgezündete 2-Takt-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung eignet.
Im ersten Ansaugtakt der 4-Takt-Brennkraftmaschine wird dem Brennraum durch einen Einlasskanal Verbrennungsluft zugeführt, wobei der Kolben sich in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Gaswechsel-Totpunkt GUT bewegt. In einem nachfolgenden Kompressionstakt bewegt sich der Kolben in einer Aufwärtsbewegung von GUT bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt ZOT, an dem der Kraftstoff in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine während des Kompressionstaktes eingespritzt wird. Im Bereich des oberen Totpunkts ZOT wird mittels einer Zündkerze das Kraftstoff/Luft-Gemisch gezündet, wobei der Kolben in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt UT expandiert (Expansionstakt). Im letzten Takt fährt der Kolben in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Gaswechsel-Totpunkt GOT und schiebt die Gase aus dem Brennraum aus.
Die Brennkraftmaschine gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise bei niedriger bis mittlerer Last L und/oder bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen N im Schichtladebetrieb und im oberen Lastbereich bzw. bei Vollast im Homogenbetrieb gefahren. Alternativ kann der Schichtladebetrieb auf andere Lastbereiche, beispielsweise auf den oberen Lastbereich oder Vollast erweitert werden.
Gemäß 1 wird lastabhängig die Mehrfacheinspritzung derart variiert, dass in einigen Lastbereichen eine zweifache bzw. dreifache Einspritzung stattfindet, wobei eine einfache Kraftstoffeinspritzung lastabhängig erfolgen kann. Im Kennfelddiagramm gemäß 1 findet im Lastbereich 1 eine einfache bzw. eine zweifache Kraftstoffeinspritzung statt, da dort eine sehr kleine Last L bei niedriger Drehzahl N gefahren wird. Im Lastbereich 2 wird vorzugsweise eine dreifache Kraftstoffeinspritzung vorgenommen, wobei eine einfache oder zweifache Kraftstoffeinspritzung bei einigen Lastpunkten stattfinden kann. Im Lastbereich 3 wird vorzugsweise eine einfache, eine zweifache oder eine dreifache Kraftstoffeinspritzung vorgenommen, wobei im Lastbereich 4 eine einfache oder eine zweifache Kraftstoffeinspritzung stattfindet. In Abhängigkeit von der Anzahl der vorgenommenen Einspritzungen sowie der Einspritzzeitpunkte der einzelnen Teilmengen liegt ein Homogenbetrieb H oder ein Schichtladebetrieb S vor. Beispielsweise kann im Lastbereich 1 mit einer Drehzahl bis zu 1500 und einer Last L₁ mit einem effektiven Mitteldruck bis zu 1 bar ein Homogenbetrieb H oder ein Schichtladebetrieb S vorliegen. Bis zu einer Last L₂ mit einem effektiven Mitteldruck zwischen 7 bar und 8 bar kann ebenso ein Homogenbetrieb H oder ein Schichtladebetrieb S vorliegen. Weitere Beispiele sind in 1 gezeigt, wobei die Last L₃ einem effektiven Mitteldruck etwa 8 bar bis 9 bar entspricht und die Last L₄ bei Brennkraftmaschinen ohne Aufladung einem effektiven Mitteldruck von 13 bar und bei Brennkraftmaschinen mit Aufladung einem effektiven Mitteldruck von etwa 21 bar entspricht.
Das erfindungsgemäß Verfahren eignet sich insbesondere für strahlgeführte Brennverfahren, bei denen im Schichtladebetrieb die Einspritzung der gesamten Kraftstoffmenge im Kompressionshub z.B. in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 120°KW und 10°KW vor ZOT erfolgt. Vorzugsweise wird die gesamte Kraftstoffmenge während eines Arbeitspiels in drei Teilmengen eingespritzt. Es ist denkbar, dass z.B. bei hohen Lasten mit einem effektiven Mitteldruck zwischen 4 bar und 8 bar bar, die erste Teilmenge im Ansaughub vorzugsweise zwischen 200°KW und 320°KW vor ZOT vorgenommen wird.
In 2 ist der zeitliche Verlauf der Kraftstoffeinspritzungen E im Schichtladebetrieb dargestellt, wobei die Kraftstoffeinspritzungen derart gestaltet sind, dass eine erste, eine zweite und eine dritte Teilmenge E_1S, E_2S, E_3S im Kompressionshub der Brennkraftmaschine eingebracht werden. Die erste Teilmenge E_1S kann alternativ bei hohen Lasten, z.B bei einem effektiven Mitteldruck P_me zwischen 4 bar und 8 bar, vorzugsweise im Ansaughub zwischen 200°KW und 320°KW vor ZOT vorgenommen werden. Im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine findet die Zündung nach der letzten Teilmenge statt. Dies kann je nach Betriebspunkt die zweite oder die dritte Teilmenge sein. Die Einspritzung der letzten Teilmenge E_3S wird lastabhängig in einem Kurbelwinkelbereich beendet, der zwischen 20°KW und –2°KW vor dem Zündzeitpunkt ZZP liegt.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann der Zündzeitpunkt ZZP 2°KW vor Beginn der Einspritzung oder 2°KW vor dem Einspritzende der letzten Teilmenge bis 20°KW nach Beginn der Einspritzung der letzten Teilmenge vorgenommen werden. Vorzugsweise findet die Zündung 5°KW bis 20°KW nach dem Beginn der Einspritzung der letzten Teilmenge statt, wobei der Zündzeitpunkt innerhalb der Einspritzdauer der letzten Teilmenge liegt, falls die Einspritzdauer der letzten Teilmenge mehr als 5°KW beträgt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die letzte Teilmenge entweder die zweite Teilmenge bei Einbringung der gesamten Kraftstoffmenge in zwei Teilmengen oder die dritte Teilmenge bei Einbringung der gesamten Kraftstoffmenge in drei Teilmengen. Vorteilhafterweise findet die dritte Einspritzung E_3S kurz nach dem Ende der zweiten Einspritzung E_2S statt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein strahlgeführtes Brennverfahren beschrieben, bei dem vorzugsweise eine nach außen öffnende Einspritzdüse verwendet wird. Die oben beschriebene Einspritzstrategie dient insbesondere zur Stabilisation des strahlgeführten Brennverfahrens im Schichtladebetrieb und läßt eine höhere Menge an Abgasrückführung im Schichtladebetrieb zu. Dadurch wird eine Verringerung der NOx-Bildung erzielt.
Beim strahlgeführten Brennverfahren wird mittels der Einspritzdüse ein Kraftstoffhohlkegel mit einem Winkel zwischen 70° und 100° in den Brennraum eingebracht, so dass der Kraftstoffhohlkegel auf eine im Schichtladebetrieb im Brennraum komprimierte Verbrennungsluft trifft. Ein torusförmiger Wirbel wird dadurch im Außenbereich bzw. am Rand des eingespritzten Kraftstoffhohlkegels gebildet, womit im Bereich der Elektroden der Zündkerze ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch bereitgestellt wird. Dabei erfolgt die Anordnung der Zündkerze derart, dass die Elektroden der Zündkerze in den erzielten Randwirbel hineinragen, ohne dass sie während der Kraftstoffeinspritzung wesentlich benetzt werden, d.h. bei einer leichten bzw. geringfügigen Benetzung der Elektroden, der Zündkerze sollte bis zum Zündzeitpunkt der größte Anteil des Kraftstoffes an den Elektroden wieder verdampft sein.
Mit der beschriebenen Mehrfacheinspritzung kann das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden. Verbrauch und Emissionsbildung können dadurch optimiert werden. Diese Vorteile ergeben sich insbesondere beim Einsatz eines Piezo-Injektors, bei dem kurze Einspritzzeiten, beispielsweise weniger als 0,25 ms, erzielt werden können. Dadurch können in einer Teilmenge sehr kleine Kraftstoffmengen in den Brennraum eingebracht werden, wenn die Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise mit hohen Einspritzdrücken zwischen 170 bar und 220 bar oder zwischen 150 bar und 300 bar erfolgt. Somit werden Mehrfach-Einspritzungen während eines Arbeitspiels insbesondere beim Start einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ermöglicht. Vorzugsweise wird der Kraftstoff im Schichtladebetrieb bei einem Brennraumgegendruck von ca. 6 bar bis 18 bar, vorzugsweise zwischen 9 bar und 13 bar in den Brennraum eingespritzt.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für das strahlgeführte Brennverfahren, da bei einem solchen Brennverfahren innerhalb kürzester Zeit ein gut aufbereitetes Gemisch im Bereich der Zündkerze vorliegen muss. Die Lage und Eigenschaften der zündfähigen Gemischwolke werden positiv beeinflusst, wodurch in allen Lastbereichen eine zuverlässige Zündung stattfindet. Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Stabilisierung des sogenannten strahlgeführten Brennverfahrens, wodurch eine höhere AGR-Verträglichkeit erzielt werden kann. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der NOx- sowie der Partikelemissionen. Eine Erweiterung des Schichtladebetriebs auf alle Drehzahl- und Lastbereiche kann hierdurch leichter erzielt werden.

Claims

Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei dem – dem Brennraum über einen Einlasskanal Verbrennungsluft zugeführt wird, – mittels eines im Brennraum angeordneten Kraftstoffinjektors Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, – mittels einer im Brennraum angeordneten Zündkerze ein gebildetes Kraftstoff/Luft-Gemisch gezündet wird, – wobei die Kraftstoffeinspritzung in mehreren Teilmengen erfolgt, wobei – in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine die Kraftstoffeinspritzung derart gestaltet wird, dass eine erste, eine zweite und gegebenenfalls eine dritte Teilmenge in einem Kompressionshub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingebracht werden, und – die Zündung des gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemischs nach der Beendigung der zuletzt eingebrachten Teilmenge vorgenommen wird, wobei – mit der Einspritzung der letzten Teilmenge bei einer Kurbelwinkelposition von –2°KW bis 20°KW vor der Zündung begonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer zwischen dem Einspritzbeginn der zweiten Teilmenge und dem Einspritzende der ersten Teilmenge etwa 0,1 bis 1 ms beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer zwischen dem Einspritzbeginn der dritten Teilmenge und dem Einspritzende der zweiten Teilmenge etwa 0,15 ms bis 1 ms beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach außen öffnende Einspritzdüse verwendet wird, so dass der Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse in Form eines Hohlkegels in den Brennraum eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des eingespritzten Kraftstoffhohlkegels ein torusförmiger Kraftstoff/Luftgemisch-Wirbel derart gebildet wird, dass die außerhalb einer Mantelfläche des eingespritzten Hohlkegels angeordneten Elektroden der Zündkerze vom torusförmigen und zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisch-Wirbel umfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung der Kraftstoffeinspritzdüse piezoelektrisch angetrieben wird.