DE19827636A1 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder, bei der ein Einlaßsystem und ein Brenn­ raum zur Erzeugung einer Ladungsschichtung im Zylinder ausgebildet sind.

Aus dem Bereich der Dieselmotoren ist es bekannt, daß sich durch direkte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum äußerst niedrige Verbrauchswerte darstellen lassen. Auch für Ot­ tomotoren, also Motoren mit Fremdzündung, ist die direkte Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder ein vielversprechendes Konzept für die Senkung der Verbrauchswerte. Die Vorteile der direkten Einspritzung von Kraftstoff hängen einerseits damit zusammen, daß bei der direkten Kraftstoffeinspritzung ein Betrieb mit sehr mageren Gemischen (λ << 1) möglich ist, und weiters damit, daß über einen weiten Bereich des Kennfeldes keine Drosselung er­ forderlich ist, so daß Drosselverluste vermieden werden. Bei der Verbesserung der Abgasqua­ lität, und zwar insbesonders bei der Verringerung der Stickoxidemissionen, ist man jedoch bei solchen Motoren auf Grenzen gestoßen, die eine Erfüllung extrem verschärfter Abgasbe­ stimmungen als nicht möglich erscheinen ließen. Beispielsweise schreiben neue Vorschriften in Kalifornien für abgasfreie Fahrzeuge Emissionen vor, die 1/10 von ULEV entsprechen. Das sind 0,004 g/mHC 0,17 g/mCO, 0,02 NO_x. Diese Norm beruht auf der Überlegung, daß auch ein an sich völlig abgasfreies Elektrofahrzeug eine gewisse Abgasbelastung aufweist, wenn man die Emissionen berücksichtigt, die bei der Produktion der erforderlichen elektrischen Energie entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art derart weiter­ zubilden, daß auch die Erfüllung strengster Abgasnormen möglich wird. Dabei soll jedoch der Kraftstoffverbrauch möglichst gering gehalten werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Einrichtung zur Umschaltung zwischen geschichtet magerem Betrieb und geschichtet stöchiometrischen Betrieb vorgesehen ist, die im wesentlichen in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen Abgasqualität schaltet.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es bei einem geschichtet stöchio­ metrischen Betrieb einer Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung möglich ist, extrem niedrige Abgasemissionen zu erzielen. Dies beruht einerseits auf der Tatsache, daß bereits die Motoren-Rohemissionen ein niedriges Niveau aufweisen, und andererseits darauf, daß die Abgasnachbehandlung in bekannten Katalysatoren aufgrund der Zusammensetzung der Abgase eine besonders hohe Umsetzungsrate aufweist. Der Kraftstoffverbrauch ist jedoch bei einem solchen Betrieb etwas höher als der, der sich unter optimalen Bedingungen erzielen läßt. Da man jedoch davon ausgehen kann, daß die extrem günstigen Emissionswerte nur un­ ter bestimmten Bedingungen erforderlich sind, also etwa bei Smoggefahr in Ballungsgebieten u. dgl., kann eine Kombination der Verbrauchsvorteile der direkt einspritzenden Brenn­ kraftmaschine mit den Emissionsvorteilen, wie sie oben dargelegt sind, erreicht werden. Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, daß die Umschaltung aus dem geschichtet ma­ geren Betrieb nicht in einen homogen stöchiometrischen Betrieb erfolgt, wie dies auch bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen teilweise der Fall ist, um beispielsweise einen No_x-Ka­ talysator zu regenerieren. Der Kernpunkt ist die Umschaltung in einen geschichtet stöchio­ metrischen Betrieb, da erst hier die oben genannten Vorteile auftreten. Beim geschichtet stöchiometrischen Betrieb liegt in einem kleinen Teil des Brennraums eine Kraftstoffwolke vor, die sich zum Zündzeitpunkt im wesentlichen im Bereich der Zündkerze befindet. Inner­ halb der Kraftstoffwolke ist das Gemisch relativ fett, d. h. mit Kraftstoff angereichert. Au­ ßerhalb der Kraftstoffwolke ist das Gemisch extrem mager, bzw. es ist im Idealfall überhaupt kein Kraftstoff vorhanden. Über den gesamten Brennraum gemittelt ist die Luftmenge in der genau für die Verbrennung des Kraftstoff erforderlichen Menge bemessen.

Die Umschaltung von mageren Betrieb in den stöchiometrischen Betrieb wird hauptsächlich durch eine große Steigerung der Abgasrückführrate erreicht. Ein typischer Einspritzzeitraum im mageren geschichteten Betrieb ist 120° vor oberem Totpunkt bis 40° vor oberem Totpunkt im stöchiometrischen Betrieb wird während eines Zeitraum von 360° vor oberem Totpunkt bis 160° vor oberem Totpunkt eingespritzt. Die Abgasrückführraten bewegen sich typischerweise für geschichteten Betrieb in einem Bereich von 20% bis 50%. In geschichtet mageren Be­ trieb beträgt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, etwa in Berücksichtigung des rückgeführten Ab­ gases, 2 ≦ λ ≦ 4. Dabei wird eine eventuell rückgeführte Abgasmenge außer Ansatz gelassen.

In der praktischen Durchführung der Erfindung bedeutet dies, daß in der elektronischen Steue­ rung des Motors zwei Kennfelder vorgesehen sind. Ein Kennfeld ist für den geschichtet mage­ ren Betrieb optimiert, während das andere für den geschichtet stöchiometrischen Betrieb op­ timiert ist. Je nach erforderlicher Abgasqualität wird zwischen diesen beiden Kennfeldern umgeschaltet. Es ist für den Fachmann klar, daß die Kennfelder so aufeinander abgestimmt sein müssen, daß die Umschaltung für den Fahrer des Fahrzeuges nicht als unangenehm empfunden wird. Insbesonders soll kein Drehmomentsprung des Motors durch die Um­ schaltung verursacht werden.

Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Umschaltung zwischen den beiden Be­ triebsarten des Motors hauptsächlich aufgrund der erforderlichen Abgasqualität gesteuert wird. Insbesonders ist es erforderlich, sicherzustellen, daß bei Vorliegen der erhöhten Anfor­ derungen jedenfalls der Betriebsmodus mit stöchiometrischer Kraftstoffzufuhr gewählt wird. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, eine Umschaltung in den stöchiometri­ schen Betrieb zeitweilig durchzuführen, wenn dies aus anderen Gründen erforderlich ist. Sol­ che andere Gründe können beispielsweise darin bestehen, daß der Katalysator regeneriert werden muß.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erkennung einer notwendigen Umschaltung über ein Satellitennavigationssystem erfolgt. Es ist anzu­ nehmen, daß in naher Zukunft eine Vielzahl von Fahrzeugen mit einem solchen System aus­ gestattet sein wird. Aus einem solchen Navigationssystem kann sehr leicht eine Information gewonnen werden, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungsgebiet befindet oder nicht.

Da die verschärften Abgasbestimmungen im wesentlichen für Ballungsgebiete gelten werden, kann ein zuverlässiges Entscheidungskriterium über den erforderlichen Betriebsmodus gewonnen werden. Gegebenenfalls kann das Satellitennavigationssystem auch aufgrund der Tatsache, in welchem Ballungsgebiet sich das Fahrzeug befindet, feststellen, ob in den extrem abgasarmen Betriebsmodus umgeschaltet werden muß oder nicht.

Alternativ zu dieser Variante können auch spezifische Sensoren vorgesehen sein, die Signale empfangen, die über entsprechende Sender an Straßen u. dgl. ausgesendet werden, um erfor­ derliche Umschaltungen zu veranlassen. Vorteilhaft bei einer solchen Ausführungsvariante ist, daß die Umschaltung nicht nur aufgrund von dem jeweiligen Aufenthaltsort des Fahrzeuges vorgenommen werden kann, sondern auch aufgrund von anderen Informationen, wie etwa Smoggefahr. Dabei kann als Infrastruktur ein allfällig vorhandenes Road-pricing-System be­ nutzt werden.

Eine weitere Alternative zu den obigen Ausführungsvarianten, die jedoch auch gemeinsam mit diesen als Sicherheitsstrategie eingesetzt werden kann, ist die autarke Erkennung des Um­ schaltzeitpunktes durch das Motormanagement selbst. Ein intelligentes System kann aufgrund der Häufigkeit des Anhaltens, der Durchschnittsgeschwindigkeit, des eingelegten Ganges u. dgl. relativ gut feststellen, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungsgebiet bewegt oder auf einer Überlandstrecke fährt. Daher kann die Umschaltung auch autark aufgrund dieser Gesichtspunkte erfolgen.

Da bei dem erfindungsgemäßen System die extrem strengen Abgasgrenzwerte nur dann ein­ gehalten werden, wenn dies erforderlich ist, kann in der übrigen Zeit ein auf minimalen Ver­ brauch ausgerichtetes Management des Motors eingestellt werden. Auf diese Weise können auch die Verbrauchswerte, über den gesamten Fahrbetrieb gemittelt, sehr niedrig gehalten werden.

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder, bei der ein Einlaßsystem und ein Brennraum zur Erzeugung einer La­ dungsschichtung im Zylinder ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Umschaltung zwischen geschichtet magerem Betrieb und geschichtet stöchiometrischen Betrieb vorgesehen ist, die im wesentlichen in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen Abgasqualität schaltet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung so ausgebildet ist, daß die Umschaltung bei der Fahrt in Ballungszentren auf geschichtet stöchiometrischen Betrieb erfolgt und bei der Fahrt auf Freilandstrecken auf geschichtet mageren Betrieb erfolgt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umschaltung mit einer Satellitennavigationseinrichtung in Verbindung steht, die dazu ausgebildet ist, zu erfassen, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungszentrum be­ findet oder nicht.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einrich­ tung zur Umschaltung einen Sensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, externe Signale zu erfassen, die anzeigen, ob in den geschichtet stöchiometrischen Betrieb umzuschalten ist oder nicht.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umschaltung einen Sensor aufweist, der in Abhängigkeit von Para­ metern des Fahrzustandes, wie etwa der Fahrgeschwindigkeit, erkennt, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungsgebiet befindet oder nicht.

6. Verfahren zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentli­ chen in Abhängigkeit von der jeweiligen Abgasqualität eine Umschaltung zwischen geschichtet magerem Betrieb und geschichtet stöchiometrischem Betrieb durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung in den geschichtet stöchiometrischen Betrieb durchgeführt wird, wenn sich das Fahrzeug in einem Ballungsgebiet befindet und daß die Umschaltung in den geschichtet mageren Betrieb durchgeführt wird, wenn sich das Fahrzeug auf einer Freilandstrecke befindet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung in Abhängigkeit von einem Signal eines Satellitennavigationssystems durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung in Abhängigkeit von einem Signal durchgeführt wird, das anzeigt, ob ein Ballungsgebiet vorliegt oder nicht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Um­ schaltung in Abhängigkeit vom Fahrzustand eines unmittelbar vorangehenden Zeitab­ schnittes durchgeführt wird.