DaimlerChrysler AG
Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, deren Zylindern Brennstoff durch direkte Abgabe in einen Brennräum und zusätzlich durch einen Ansaugbereich der Brennkraftmaschine zumessbar ist, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Aus der DE 199 45 544 AI ist ein Brennstoffzuführsystem für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannt, bei dem jedem Zylinder Brennstoff durch direkte Abgabe in einen Brennraum durch ein im jeweiligen Zylinderkopf angeordnetes Einblasventil oder Direkteinspritzventil zumessbar ist und wenigstens ein weiteres Einspritzventil in einem Ansaugbereich der Brennkraftmaschine zur zusätzlichen Brennstoffabgabe vorgesehen ist . Die Direktabgabe von Brennstoff in den Brennraum und die KraftstoffZuführung über den Ansaugbereich wird von einer Steuereinheit in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine aufeinander abgestimmt, wobei die Steuereinheit den jeweiligen Durchsatz der dem Brennraum zugeordneten Ventile und des zusätzlichen Einspritzventils im Ansaugbereich die jeweils zuzumessende Brennstoffmenge bestimmt und so im Brennraum zündfähiges Brennstoffgemisch konfiguriert .
Bei dem bekannten Verfahren mit der Möglichkeit der direkten Kraftstoffzumessung in die Brennräume und der Zuführung von Brennstoffgemisch über den Ansaugbereich werden die innere Gemischbildung und die Saugrohreinspritzung entsprechend dem
Lastbereich kombiniert . Im Leerlaufbereich sowie im Niedriglastbereich ist überwiegend oder ausschließlich direkte Kraftstoffzumessung in den Brennraum vorgesehen, wobei durch Kraftstoffabgäbe während des Kompressionstaktes des jeweiligen Zylinders ein Schichtladungsbetrieb mit einer Gemischfolge mit örtlich unterschiedlichen Brennstoffkonzentrationen vorgesehen ist. Im mittleren Lastbereich ist zusätzlich zur inneren Gemischbildung die Zuführung mageren homogenen Gemisches über den Ansaugbereich der Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei das durch Saugrohreinspritzung mittels des zusätzlichen Einspritzventils gebildete Gemisch im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine im Brennraum durch die direkt eingebrachte Brennstoff enge auf ein zündfähiges Maß angereichert wird. Im Hochlastbereich erfolgt die Gemischbildung über Saugrohreinspritzung in den Ansaugbereich und direkte Kraftstoffabgäbe in den Brennraum während des Ansaugtaktes, wobei im Brennraum homogenes Gemisch gebildet wird. Alternativ ist bei dem bekannten Verfahren für den Hochlastbereich der Brennkraftmaschine vorgesehen, die homogene Brennraumladung ausschließlich über die Saugrohreinspritzung in den Ansaugbereich aufzubereiten.
Das bekannte Betriebsver ahren mit einer Kombination von innerer Gemischbildung mit direkter Brennstoffabgabe in einen Brennraum und zusätzlicher Kraftstoffzumessung durch einen Ansaugbereich der Brennkraftmaschine kann zwar eine reduzierte Stickstoffemission der Brennkraftmaschine erreicht werden, wie sie bei ausschließlich innerer Gemischbildung nicht oder nur mit besonderem Aufwand erreichbar waren. Den bei modernen Brennkraftmaschinen zunehmend höheren Anforderungen an geringe Schadstoffemissionen im Abgas der Brennkraftmaschine vermag das bekannte Verfahren jedoch oft nicht mehr gerecht zu werden und insbesondere bei magerer Verbrennung ist eine wirksame Abgasnachbehandlung noch schwierig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem die Abgasemission der Brennkraftmaschine gesenkt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst .
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, Abgas der Brennkraftmaschine in den Ansaugbereich zurückzuführen, wobei die Steuereinheit eine Rückführungsrate des rückgeführten Abgases, also den Anteil des rückgeführten Abgases an dem schließlich in den Brennraum gelangenden Frischgas bestimmt. Unter Berücksichtigung der Rückführrate wird ein vorgegebenes Luftverhältnis des Gemisches aus Frischluft, Abgas und Brennstoff durch direkte Abgabe von Brennstoff in den Brennraum eingestellt, wobei die Steuereinheit die Menge des im Rahmen der inneren Gemischbildung direkt an den Brennraum abzugebenen Brennstoffes bestimmt. Durch die Einstellung des Luftverhältnisses des Brennstoffgemisches über die direkte Brennstoff bgäbe in den Brennraum wird die Abgasverträglichkeit der Brennraumladung erheblich verbessert, so daß mit hohen Rückführraten die Abgasemission der Brennkraftmaschine bei einem Betriebsverfahren mit kombinierter Brennstoffzumessung durch Direktabgabe in den Brennraum und zusätzlicher Brennstoffabgabe in den Ansaugbereich effektiv gesteigert werden kann. Dabei können hohe Rückführraten mit der Bildung homogener magerer Brennstoffgemische im Brennraum kombiniert werden und unter Einsatz von Abgasnachbehandlungseinrichtungen eine weitgehende Entdrosselung der Brennkraftmaschine im Teillastbereich und dadurch eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches erreicht werden.
Gemäß der Erfindung wird im Brennraum ein mageres Grundgemisch durch die direkte Brennstoffabgabe auf das vorgesehene Luftverhältnis angefettet, wobei das Grundgemisch bedarfsweise über den Ansaugbereich und die dort vorgesehene Saug- rohreinspritzung bereitgestellt werden kann oder durch direk-
te Brennstoffabgabe in den Brennraum während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine erzeugt wird. Die hohe Abgasverträglichkeit bei der Gemischbildung ergibt sich dabei durch die stabilisierend auf die Entflammung magerer Homogengemische wirkende direkte Brennstoffabgäbe in den Brennraum. Eine stabilisierende Wirkung auf die Entflammung auch sehr magerer homogener Brennstoffgemische ergibt sich dabei insbesondere, wenn die direkte Brennstoffabgäbe zur Erzielung des vorgesehenen Luftverhältnisses im Brennraum während des Kompressionstaktes erfolgt .
Vorteilhaft wird wenigstens im oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine ein Gemisch mit einem Luftverhältnis im stöchi- ometrischen Bereich von λ=l gebildet, wodurch auch bei hohen Brennstoffdurchsätzen geringe Anforderungen an die Abgasnachbehandlung gestellt werden müssen. Durch die Zündeinspritzung in den Brennraum während des Kompressionstaktes werden in Kombination mit der Abgasrückführung auch Verbrauchsvorteile erreicht . In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Betrieb der Brennkraftmaschine in unteren Lastbereichen die Gemischbildung wenigstens überwiegend durch direkte Kraftstoffzumessung in den Brennraum während des Kompressionstaktes durchgeführt und bei höheren Betriebslasten auf Gemischbildung mit Anfettung eines mageren Grundgemisches auf ein stöchiometrisches Luftverhältnis durch Zündeinspritzung umgeschaltet. Die Umschaltung auf den Betrieb mit stöchio- metrischer Gemischbildung für höhere Betrieblasten erfolgt dabei vorteilhaft bei einem mittleren Brennraumdruck von etwa 3,5 bar bis 4,5 bar, vorzugsweise 4,0 bar.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die Brennkraftmaschine im gesamten Lastbereich mit Gemischbildung mit Luftzahlen im stöchiometrischen Bereich von λ=l betrieben, wodurch die erforderlichen Einrichtungen zur direkten Kraftstoffzumessung in die Brennräume baulich kleiner und einfacher ausgestaltet werden können und dadurch Vorteile hinsichtlich der Qualität des Brennstoffgemisches, der Kosten
des Brennstoffzuführsystems und durch reduzierte Reibung in den Zumeßeinrichtungen eine Verbesserung des Brennstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Auch erlaubt die erfindungsgemäße Betriebsweise mit Gemischbildung im stöchiometrischen Bereich über den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine einen Umstieg von bisher üblichen Kol- benkompressoren und Kolbenpumpen auf zylinderselektive Membrankompressoren, Membranpumpen oder anderen Pumpe/Düsenkombinationen bzw. Kompressor/Düsenkombinationen zur Kraftstoffzumessung. Außerdem erlaubt eine direkte Zündeinspritzung in den Brennraum während des Kompressionstaktes in Kombination mit Abgasrückführung im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine eine Verstärkung der Turbulenzen im Brennraum mit einer positiven Wirkung auf den Verbrennungsablauf, wodurch sich eine Erhöhung des mittleren Brennraumdruckes und eine Reduzierung der Abgastemperatur und damit eine Verbesserung der Abgasemissionen erreichen läßt . Die Menge des während des Kompressionstaktes direkt in den Brennraum abgegebenen Brennstoffes (Zündeinspritzung) beträgt vorteilhaft weniger als 20% der für die volle Betriebslast vorgesehenen Gesamtmenge des zu verbrennenden Brennstoffes.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt einer Brennkraftmaschine mit kombinierter BrennstoffZuführung durch direkte Abgabe in den Brennraum und zusätzlicher BrennstoffZuführung über den Ansaugbereich,
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Maschinenleistung aufgetragen über der Drehzahl der Brennkraftmaschine
' nach einer ersten Verfahrensvariante der Gemischbildung, Fig. 3 eine grafische Darstellung der Maschinenleistung aufgetragen über der Drehzahl nach einer alternativen Verfahrensweise der Gemischbildung.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen der Zylinder 8 einer Brennkraftmaschine, in dem ein Hubkolben 10 längsbeweglich angeordnet ist und einen Brennraum 7 begrenzt, welcher von einem auf dem Zylinder 8 aufliegenden Zylinderkopf 1 abgeschlossen ist . In dem Brennraum wird in bekannter Weise zur Verdrängung des Hubkolbens 10 Brennstoff mit Frischgas verbrannt, welches über ein von einem Einlaßventil 3 gesteuertes Ansaugrohr 22 in den Brennraum 7 angesaugt wird. Die Abgase werden nach der Verbrennung in ein Abgasrohr 23 abgegebenen, welches zur Abführung der Abgase von einem, oder mehren Auslaßventilen 4 pro Zylinder 8 geöffnet wird. Der Gasdurchsatz der Ansaugleitung 22 ist durch eine Drosselklappe 27 steuerbar. Zur Verringerung der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine ist eine Rückführung von Abgasen durch eine Abgas- rückführungsleitung 9 vorgesehen, welche das Abgasrohr 23 mit dem Ansaugrohr 22 verbindet und im vorliegenden Ausführungs- beispiel stromab der Drosselklappe 27 in den Ansaugbereich 26 des Ansaugrohres 22 vor der Einmündung in den Zylinder 8 einmündet .
Für die Zumessung des für die Verbrennung erforderlichen Brennstoffes ist im Zylinderkopf 1 jedes Zylinders 8 ein Direkteinspritzventil 2 angeordnet, welches über seine Einspritzdüse 5 Brennstoff direkt in den Brennraum 7 abgeben kann. Jedes Direkteinspritzventil 2 der Zylinder 8 der Brennkraftmaschine ist über einen Brennstoffanschluß 15 mit einer gemeinsamen Verteilerleitung 20 verbunden, welche eine ge-
meinsame Druckleitung sein kann (fuel rail) . Alternativ zur Direkteinspritzung mittels des Direkteinspitzventils 2 kann die Abgabe von Brennstoff in den Brennraum zur inneren Gemischbildung mittels eines Einblasventils vorgesehen sein, mit dem ein Brennstoff-Medium-Gemisch direkt in den Brennraum 7 abgegeben werden kann.
Zusätzlich zur direkten Brennstoffabgäbe in den Brennraum 7 ist im Ansaugbereich 26 des Saugrohres 22 ein Einspritzventil 25 vorgesehen, welches über einen Brennstoffanschluß 17 mit der Verteilerleitung 20 verbunden ist und im Rahmen einer äußeren Gemischbildung Brennstoff in das Frischgas vor dem Eintritt in den Brennraum 7 abgibt. Die Saugrohreinspritzung zur äußeren Gemischbildung kann dabei durch ein einzelnes Einspritzventil 25 in einem alle Zylinder 8 versorgenden gemeinsamen Ansaugrohr 22 vorgesehen sein (Singlepoint-Einspritzung) . Alternativ kann auch für jeden Zylinder 8 der Brennkraftmaschine jeweils ein Zusatzeinspritzventil 25 zugeordnet werden (Multipoint-Einspritzung) .
Im Zylinderkopf 1 ist schließlich eine in den Brennraum 7 einragende Zündkerze 6 angeordnet, deren Zündelektroden benachbart eines Kegelmantels 14 des als Kegelstrahl 19 von der Einspritzdüse 5 des Direkteinspritzventils 2 abgegebenen Brennstoffes liegen. In einem Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine mit örtlich unterschiedlichen Kraftstoffkonzentrationen im Brennraum ist so sichergestellt, daß im Bereich der geschichteten Gemischwolke entsprechend dem Kegelstrahl 19 zündfähiges Gemisch zwischen die Elektroden 12 der Zündkerze 6 gelangt .
Die Gemischbildung aus Brennstoff und Frischgas sowie dazuge- mischtem Abgas sowie schließlich die Zündung des Gemisches im Brennraum 7 wird von einer Steuereinheit 30 gesteuert, welche
die direkte Kraftstoffeinspritzung durch das Direkteinspritzventil 2 und die zusätzliche Saugrohreinspritzung durch das Zusatzeinspritzventil 25 im Ansaugbereich 26 in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine aufeinander abstimmt und die Direkteinspritzventile 2 und das r.Zusatzeinspritzventil 25 entsprechend ansteuert. Die Steuereinheit 30 bestimmt auch die Abgasrückführungsrate, d.h. den Anteil des dem Frischgas im Ansaugrohr 22 zugemischten Abgases durch entsprechende Einstellung eines in der Abgasrückführungsleitung 9 angeordneten Abgasrückführungsventils 11.
Bei der Gemischbildung ist vorgesehen, im Brennraum 7 ein mageres Grundgemisch bereitzustellen, welches durch direkt eingespritzten Brennstoff auf ein vorgesehenes Luftverhältnis mit Brennstoff angereichert wird und das im Brennraum gebildete Gemisch aus Frischluft, Abgas und Brennstoff konfiguriert wird, wobei die Steuereinheit 30 die direkte Brennstoffabgabe in den Brennraum zur Konfigurierung des Gemisches unter Berücksichtigung der gleichfalls von ihr einstellbaren Rückführrate im Hinblick aus das vorgesehene Luftverhältnis einstellt. Als mageres Grundgemisch, das durch Direkteinspritzung zu konfigurieren ist, wird ein homogenes Gemisch in den Brennraum 7 geleitet, welches durch Saugrohreinspritzung bereitgestellt werden kann oder auch durch Direkteinspritzung während des Ansaugtaktes des Zylinders 8 im Rahmen innerer Gemischbildung erzeugt werden kann. Gleichfalls sind auch Kombinationen von äußerer und innerer Gemischbildung zur Erzeugung des homogenen Grundgemisches möglich.
Die Einstellung des Luftverhältnisses bei der Gemischbildung und die Konfiguration des Gemisches im Brennraum durch die Direkteinspritzung von Brennstoff fördert die Verträglichkeit beigemischter Abgase im Frischgas, und durch hohe Abgasrückführungsraten ist eine deutliche Reduzierung der Schadstoff-
emission möglich. Durch Einsatz von Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung in der Abgasleitung ist eine Kombination von homogenem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine mit hohen Abgasrückführungsraten möglich, wodurch die Brennkraftmaschine im Teillastbereich weitgehend entdrosselt betrieben werden kann.
Wird der direkt in den Brennraum abzugebende Brennstoff zur Einstellung des vorgesehenen Luftverhältnisses während des Kompressionstaktes des Zylinders 8 als Zündeinspritzung abgegeben, so wird eine stabile Entflammung auch sehr magerer homogener Gemische gefördert. Auch fördert eine solche Zündeinspritzung die Erhöhung der Abgasverträglichkeit des Frischgases. Durch die erfindungsgemäße Zündeinspritzung kann eine Erhöhung der Abgasverträglichkeit des Frischgases um mehr als 15% gegenüber einer Saugrohreinspritzung erreicht werden.
Die Steuereinheit 30 stellt durch die bei der Zündeinspritzung zugemessene Brennstoffmenge vorteilhaft ein Luft- verhältnis im stöchiometrischen Bereich von λ=l ein, wodurch zum einen die Abgasnachbehandlung vereinfacht wird und zum anderen eine bauliche Verkleinerung und Vereinfachung der Direkteinspritzventile 2 und der zugehörigen Bauteile ermöglicht ist.
Fig. 2 zeigt eine Verfahrensvariante einer Gemischbildung mit λ=l, welche in der Betriebsart B für den oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Dabei wird mageres Grundgemisch durch Saugrohreinspritzung oder Saugrohreinspritzung in Kombination mit Direkteinspritzung während des Ansaugtaktes bereitgestellt und durch Zündeinspritzung während des Kompressionstaktes auf das vorgesehene Gemischverhältnis von λ=l angereichert. Im Leerlaufbetrieb und in unteren Lastbereichen A erfolgt die Kraftstoffzumessung wenigs-
tens überwiegend durch Zündeinspritzung in den Brennraum 7 während des Kompressionstaktes mit geschichteter und insgesamt magerer Gemischbildung. Alternativ zur ausschließlichen Kraftstoffzumessung durch Zündeinspritzung in der Betriebsart A kann auch ein sehr mageres Grundgemisch durch Saugrohreinspritzung bereitgestellt werden und durch Zündeinspritzung während des Kompressionstaktes ein geschichtetes und zündfähiges Gemisch erzeugt werden.
Fig. 3 zeigt eine Verfahrensvariante zur Gemischbildung, bei der im gesamten Betriebsbereich C der Brennkraftmaschine eine Gemischbildung mit einem vorgegebenen Luftverhältnis im stöchiometrischen Bereich von λ=l eingestellt wird. Ein Grundgemisch wird durch Saugrohreinspritzung oder Saugrohreinspritzung in Kombination mit direkter Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes der betreffenden Zylinder bereitet und durch Zündeinspritzung konfiguriert.