DE19827636B4

DE19827636B4 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung

Info

Publication number: DE19827636B4
Application number: DE19827636A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Dipl.-Ing. Fraidl; Peter Dr. Dipl.-Ing. Schöggl; Walter Dr. Piock; Martin Dr. Dipl.-Ing. Wirth
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-20
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2018-06-21
Also published as: AT1921U3; DE19827636A1; AT1921U2

Abstract

Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, bei der ein Einlasssystem und ein Brennraum zur Erzeugung einer Ladungsschichtung im Zylinder ausgebildet sind, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Umschaltung mit einer Satellitennavigationseinrichtung in Verbindung steht, wobei die Satellitennavigationseinrichtung dazu ausgebildet ist zu erfassen, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungszentrum befindet oder nicht, so dass die Umschaltung bei der Fahrt in Ballungszentren auf geschichtet stöchiometrischen Betrieb erfolgt und bei der Fahrt auf Freilandstrecken auf geschichtet mageren Betrieb erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder, bei der ein Einlasssystem und ein Brennraum zur Erzeugung einer Ladungsschichtung im Zylinder ausgebildet sind, wobei 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. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, wobei im wesentlichen in Abhängigkeit von der jeweiligen Abgasqualität eine Umschaltung zwischen geschichtet magerem Betrieb und geschichtet stöchiometrischem Betrieb durchgeführt wird.

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 Ottomotoren, 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 erforderlich ist, so dass Drosselverluste vermieden werden. Bei der Verbesserung der Abgasqualität, und zwar insbesondere bei der Verringerung der Stickoxidemissionen, ist man jedoch bei solchen Motoren auf Grenzen gestoßen, die eine Erfüllung extrem verschärfter Abgasbestimmungen 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/kmHC 0,17 g/kmCO, 0,02 g/kmNO_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.

Die US 4 784 098 A zeigt eine Brennkraftmaschine, die nach dem Schichtladeprinzip betrieben wird. Dabei wird eine Variation des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses vorgenommen. Weiters ist aus der GB 1 528 515 A eine ähnliche Lösung bekannt.

Aus der DE-A-195 44 022 ist eine Einrichtung zur Bereitstellung einer Höheninformation in einem Kraftfahrzeug bekannt. Hierzu wird ein Satellitennavigationssystem benutzt, um die Abgasqualität zu beeinflussen, indem bestimmte Überwachungsfunktionen ein- oder ausgeschaltet werden. Eine Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der WO-A-97/16632 erfolgt in Abhängigkeit von zukünftigen Fahrbedingungen, die über ein Navigationssystem erhalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, dass auch die Erfüllung strengster Abgasnormen möglich wird. Dabei soll jedoch der Kraftstoffverbrauch möglichst gering gehalten werden. Insbesondere soll die Abgasemission in ökologisch kritischen Gebieten gering gehalten werden, wobei die Erkennung solcher Gebiete einfach und mit großer Zuverlässigkeit erfolgen soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Einrichtung zur Umschaltung mit einer Satellitennavigationseinrichtung in Verbindung steht, wobei die Einrichtung zur Umschaltung mit einer Satellitennavigationseinrichtung in Verbindung steht, wobei die Satellitennavigationseinrichtung dazu ausgebildet ist zu erfassen, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungszentrum befindet oder nicht, so dass die Umschaltung bei der Fahrt in Ballungszentren auf geschichtet stöchiometrischen Betrieb erfolgt und bei der Fahrt auf Freilandstrecken auf geschichtet mageren Betrieb erfolgt.

Verfahrensmäßig zeichnet sich die Lösung dadurch aus, dass die Umschaltung in Abhängigkeit von einem Signal eines Satellitennavigationssystems derart durchgeführt wird, dass die Umschaltung in Abhängigkeit von einem Signal eines Satellitennavigationssystems derart durchgeführt wird, 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.

Jeweilige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bzw. 4.

Es ist anzunehmen, dass in naher Zukunft eine Vielzahl von Fahrzeugen mit einer Satellitennavigationseinrichtung ausgestattet sein wird. Aus einem solchen Navigationssystem kann sehr leicht eine Information gewonnen werden, ob sich das Fahrzeug in eine 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.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es bei einem geschichtet stöchiometrischen 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 unter bestimmten Bedingungen erforderlich sind, also etwa bei Smoggefahr in Ballungsgebieten u. dgl., kann eine Kombination der Verbrauchsvorteile der direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit den Emissionsvorteilen, wie sie oben dargelegt sind, erreicht werden. Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass die Umschaltung aus dem geschichtet mageren Betrieb nicht in einen homogen stöchiometrischen Betrieb erfolgt, wie dies auch bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen teilweise der Fall ist, um beispielsweise einen NO_x-Katalysator zu regenerieren. Der Kernpunkt ist die Umschaltung in einen geschichtet stöchiometrischen 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. Innerhalb der Kraftstoffwolke ist das Gemisch relativ fett, d. h. mit Kraftstoff angereichert. Außerhalb 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 Betrieb beträgt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, etwa in Berücksichtigung des rückgeführten Abgases, 2 ≤ λ ≤ 4. Dabei wird eine eventuell rückgeführte Abgasmenge außer Ansatz gelassen.
In der praktischen Durchführung der Erfindung bedeutet dies, dass in der elektronischen Steuerung des Motors zwei Kennfelder vorgesehen sind. Ein Kennfeld ist für den geschichtet mageren Betrieb optimiert, während das andere für den geschichtet stöchiometrischen Betrieb optimiert 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. Insbesondere soll kein Drehmomentsprung des Motors durch die Umschaltung verursacht werden.
Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten des Motors hauptsächlich aufgrund der erforderlichen Abgasqualität gesteuert wird. Insbesondere ist es erforderlich, sicherzustellen, dass bei Vorliegen der erhöhten Anforderungen jedenfalls der Betriebsmodus mit stöchiometrischer Kraftstoffzufuhr gewählt wird. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, eine Umschaltung in den stöchiometrischen Betrieb zeitweilig durchzuführen, wenn dies aus anderen Gründen erforderlich ist. Solche andere Gründe können beispielsweise darin bestehen, dass der Katalysator regeneriert werden muss.
Zusätzlich können auch spezifische Sensoren vorgesehen sein, die Signale empfangen, die über entsprechende Sender an Straßen u. dgl. ausgesendet werden, um erforderliche 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 benutzt werden.
Eine weitere Alternative zu den obigen Ausführungsvarianten, die jedoch auch gemeinsam mit diesen als Sicherheitsstrategie eingesetzt werden kann, ist die autarke Erkennung des Umschaltzeitpunktes 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 eingehalten werden, wenn dies erforderlich ist, kann in der übrigen Zeit ein auf minimalen Verbrauch ausgerichtetes Management des Motors eingestellt werden. Auf diese Weise können auch die Verbrauchswerte, über den gesamten Fahrbetrieb gemittelt, sehr niedrig gehalten werden.

Claims

Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, bei der ein Einlasssystem und ein Brennraum zur Erzeugung einer Ladungsschichtung im Zylinder ausgebildet sind, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Umschaltung mit einer Satellitennavigationseinrichtung in Verbindung steht, wobei die Satellitennavigationseinrichtung dazu ausgebildet ist zu erfassen, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungszentrum befindet oder nicht, so dass die Umschaltung bei der Fahrt in Ballungszentren auf geschichtet stöchiometrischen Betrieb erfolgt und bei der Fahrt auf Freilandstrecken auf geschichtet mageren Betrieb erfolgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Umschaltung einen Sensor aufweist, der in Abhängigkeit von Parametern des Fahrzustandes, wie etwa der Fahrgeschwindigkeit, erkennt, ob sich das Fahrzeug in einem Ballungsgebiet befindet oder nicht.
Verfahren zur Einbringung von Kraftstoff in einen Brennraum einer insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehenen, direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, wobei im wesentlichen in Abhängigkeit von der jeweilig erforderlichen Abgasqualität eine Umschaltung zwischen geschichtet magerem Betrieb und geschichtet stöchiometrischem Betrieb durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung in Abhängigkeit von einem Signal eines Satellitennavigationssystems derart durchgeführt wird, 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.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung in Abhängigkeit vom Fahrzustand eines unmittelbar vorangehenden Zeitabschnittes durchgeführt wird.