WO2005100767A1 - Method for operating an internal combustion engine with direct fuel injection - Google Patents

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WO2005100767A1
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combustion engine
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Bernd Köhler
Christoph Lux
Michael Oechsle
Oliver Platzek
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a spark-ignited internal combustion engine, in particular for operating a spark-ignited internal combustion engine after the cold start.
  • This temperature is commonly referred to as the light-off temperature.
  • a rich charge mixture is conventionally made available to the combustion chamber in order to ensure sufficient flame resistance of the mixture formed in the combustion chamber and to heat up the catalyst for the exhaust gas aftertreatment.
  • a secondary air injection is often provided in order to enable post-oxidation of the combustion gas in the exhaust duct or in the catalytic converter.
  • a disadvantage of these approaches is an increased fuel consumption due to the rich charge mixture and the various design measures in connection with the secondary air injection. It is therefore an object of the invention to provide a method for operating an internal combustion engine with which the pollutant emissions and the fuel consumption after the cold start can be reduced and at the same time secondary air injection can be dispensed with.
  • This object is achieved by a method for operating a spark-ignition internal combustion engine
  • Direct fuel injection after the cold start delivers combustion air to a combustion chamber; fuel is injected into the combustion chamber by means of a fuel injector; and a fuel-air mixture formed in the combustion chamber is ignited by means of a spark plug at a predetermined ignition timing.
  • the method according to the invention is characterized in that a pre-injection of a first fuel quantity in an intake stroke of the internal combustion engine is injected into the combustion chamber, with which a homogeneous, lean fuel-air mixture ( ⁇ > 1) is essentially formed in the entire combustion chamber; and that a main injection of a second fuel quantity is then injected into the combustion chamber in a working stroke of the internal combustion engine immediately before the ignition point, with which a stratified, rich fuel-air cloud ( ⁇ ⁇ 1) is formed in the region of the spark plug, the main injection being Multiple injection with multiple stratified injections is carried out in short succession.
  • the fuel quantity to be injected into the combustion chamber is divided into two injection quantities.
  • the pre-injection takes place in the intake stroke of the internal combustion engine in order to form a homogeneous, lean fuel-air mixture in the entire combustion chamber.
  • a stratified, rich fuel-air mixture is formed in the area of the spark plug immediately before the ignition point, so that a reliable ignition of this charge cloud is made possible even at very late ignition points.
  • the late ignition timing creates a high exhaust gas temperature, which favors the post-oxidation of hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides in the exhaust system.
  • the main injection is carried out as a double injection with two stratified injections.
  • the ignition timing can lie either after the second stratified injection of the main injection or between the first and second stratified injection of the main injection.
  • the main injection is carried out as a triple injection with three stratified injections. In this case, the ignition timing can lie after the third stratified injection of the main injection or optionally between the first and the second or between the second and the third stratified injection of the main injection.
  • late ignition times of up to 30 ° KW or 35 ° KW after an upper ignition dead center can be achieved with sufficient smooth running of the internal combustion engine.
  • the ignition point is approximately 2 ° KW to 10 ° KW after the end of the first stratified injection of the main injection.
  • the pilot injection is also carried out as a multiple injection with a plurality of homogeneous injections. This measure further improves the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber.
  • a torque output of the internal combustion engine can be regulated by the second fuel quantity of the main injection and the ratio of the second fuel quantity of the main injection to the total fuel quantity of the pre-injection and the main injection.
  • the torque output of the internal combustion engine can also be regulated by the second fuel quantity of the main injection, corrected by the proportion of the first fuel quantity of the pre-injection participating in the combustion.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view through a cylinder of a spark-ignition internal combustion engine with direct fuel injection, in which the method according to the present invention can be used.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a comparative example of an injection profile of the internal combustion engine of FIG. 1 after a cold start, plotted over the Crank angle, to explain the basic principle of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the temperature profile over time of an oxidation catalytic converter of the internal combustion engine from FIG. 1 for an injection profile according to FIG. 2;
  • FIG. 4 a shows a schematic diagram of the emission curve over time of the internal combustion engine from FIG. 1 for an injection curve according to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a first exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of a second exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of a third exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of a fourth exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of a fifth exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention.
  • FIG. 1 shows, in a highly simplified manner, a cylinder 12 of an externally ignited internal combustion engine 10
  • a combustion chamber 18 is delimited by a piston 14 and a cylinder head 16 closing the cylinder 12.
  • a fuel injector 20 is arranged centrally in the cylinder head 16, with which fuel can be injected into the combustion chamber 18 through a nozzle opening 22.
  • a control device (not shown) determines, among other things, during a starting phase of the internal combustion engine 10. the injection times of the fuel with the associated fuel quantities and an ignition time at which a fuel-air mixture formed in the combustion chamber is ignited by means of a spark plug 26 or the like.
  • the fuel is injected into the combustion chamber 18 in the form of a cone jet 24 with an opening angle between 70 ° and 110 °.
  • the positioning of the spark plug 26 in the combustion chamber 18 is selected such that the electrodes 28 of the spark plug 26 are not wetted by the injected fuel cone 24.
  • the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 preferably works according to the four-stroke principle.
  • a first bar of a working cycle of the internal combustion engine 10 the so-called intake stroke, combustion air is supplied to the combustion chamber 18 through an inlet duct (not shown).
  • the piston 14 moves in a downward movement to a bottom dead center UT.
  • piston 14 moves in an upward movement from bottom dead center UT to top ignition dead center ZOT.
  • a subsequent expansion stroke the piston 14 moves downward again to a bottom dead center UT; and in a fourth extension stroke, the piston 14 moves in an upward movement to an upper dead center TDC, in order to push out the exhaust gases from the combustion chamber 18.
  • the aim of the method according to the invention is to reduce the pollutant emissions and the fuel consumption after the cold start, while at the same time dispensing with an additional secondary air injection. This is achieved in that a very late ignition point ZT is made possible with a reliable ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber 18 and the internal combustion engine running smoothly. 2 to 4, the principle on which the invention is based will first be explained in more detail.
  • the injection processes ES after the cold start of the internal combustion engine 10 are plotted over the crank angle ° KW.
  • An essential point of the method according to the invention is the division of the injected fuel into two parts, namely a homogeneous pre-injection M H and a stratified main injection M s .
  • a first amount of fuel in a pilot injection M H injected so that a homogeneous fuel-air mixture with a fuel-air ratio ⁇ > 1, preferably ⁇ & 1, 6 is formed in the entire combustion chamber 18.
  • a second fuel quantity in a main injection M s is then injected into the combustion chamber 18 as a stratified injection in the working stroke of the internal combustion engine 10 immediately before the ignition point ZT, so that in the area of the spark plug 26 a stratified charge cloud 30 with ⁇ ⁇ 1, for example ⁇ ⁇ 0.8 , which is located on the spark plug 26 at the ignition point ZT.
  • the charge stratification is given by the beam formation in a jet-guided combustion process. Injection at a certain piston position, such as in a wall-guided combustion process, is not necessary here. This enables stable charge stratification at all injection times and thus greater freedom in the choice of the ignition and injection timing.
  • the following catalyst heating strategy enables freedom in the selection of the ignition timing ZT in connection with the given ignition safety and smooth running at extremely late ignition timing.
  • the pre-injection M H in the intake stroke generates a lean fuel-air mixture in the entire combustion chamber 18. This provides a sufficient supply of hydrocarbon molecules for post-oxidation.
  • the stratified main injection M s in the area of the spark plug 26 generates a charge cloud with a rich fuel-air mixture, which ensures reliable ignition.
  • the combustion of the stratified charge is completed by the rapid combustion of the rich mixture until the exhaust valve opens.
  • the graph of FIG. 3 shows measured exhaust gas temperatures upstream or in the bulkhead catalytic converter at Cold start emission measurement for the injection process of Fig. 2.
  • the measurement sequence corresponds to the first seconds of the EU98A cycle.
  • the pre-injection M H takes place in the intake stroke of the internal combustion engine 10 as a simple homogeneous injection into the combustion chamber 18.
  • the stratified main injection M s takes place in the working stroke of the internal combustion engine 10 immediately before the ignition point ZT as a double injection with a first and a first second layer injection within a few milliseconds.
  • the formation of the stratified main injection M s as a multiple injection further improves the mixture formation of the rich charge cloud 30 in the area of the spark plug 26 due to better mixing of the fuel vapor with the fresh air.
  • Main injection M s Main injection M s .
  • the ignition timing is like also in all other exemplary embodiments preferably coupled to the end of the first stratified injection of the main injection M s , the distance angle ⁇ depending on the operating point preferably being about 2 ° KW to about 10 ° KW. Therefore, the main injection M s takes place at very late ignition times ZT in the working stroke.
  • the ignition timing ZT can alternatively also lie between the first and the second stratified injection of the main injection M s , which is designed as a double injection.
  • the other aspects of the injection method of FIG. 6 correspond to those of the first embodiment of FIG. 5.
  • the main injection M s is carried out as a double injection with a first and a second stratified injection
  • the main injection M s is carried out in the third exemplary embodiment of FIG. 7 as a triple injection with a first, a second and a third stratified injection.
  • the spacing angle ⁇ between the end of the first layer injection and the ignition point ZT is also in this case preferably about 2 ° KW to about 10 ° KW.
  • the ignition ZT takes place between the first and the second stratified injection of the stratified main injection M s .
  • the ignition timing ZT can also lie between the second and the third stratified injection of the main injection M s , as indicated in FIG. 7, or even only after the third stratified injection of the main injection M s .
  • the fourth exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 8 differs from the third Embodiment of FIG. 7 in that the homogeneous pilot injection M H is carried out as a multiple injection, in the embodiment shown as a double injection. This homogeneous double injection further improves the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber.
  • FIG. 9 shows a fifth exemplary embodiment of the injection method according to the invention, which represents a further development of the second exemplary embodiment from FIG. 6.
  • an additional injection M N takes place with a third fuel quantity after the ignition ZT or the stratified main injection M s .
  • This post-injection M N takes place in the hot combustion gas in the work cycle, whereby additional chemical energy is supplied.
  • the amount of post-sprayed fuel is completely re-oxidized, provided there is a sufficient excess of oxygen.
  • the present injection method also provides that the torque output of the internal combustion engine by the second fuel quantity of the main injection M s and the ratio (M s / M H + M S ) of the second fuel quantity of the main injection M s to the total fuel quantity of the homogeneous pilot injection M H and the stratified main injection M s are regulated.
  • the torque output of the internal combustion engine can also be corrected by the second fuel quantity of the main injection M s , corrected for that at the combustion Participating portion of the first fuel quantity of the pre-injection M H can be regulated.
  • the present invention is particularly suitable for a spark ignition internal combustion engine
  • the advantages of the present invention are, in particular, the lower pollutant emissions after the cold start by rapid heating of the bulkhead catalytic converter and by effective post-oxidation of the raw emissions which arise; in fuel savings through the omission of a mixture enrichment in the after-start and the shortening of the catalyst heating-up time; and in doing without auxiliary units and saving space and costs in connection with the unnecessary secondary air injection.

Abstract

The invention relates to a method for operating a spark-ignition internal combustion engine (10) with direct fuel injection. After a cold start of the internal combustion engine (10), a first amount of fuel is pre-injected (MH) into the combustion chamber (18) in an induction stroke of the internal combustion engine (10), enabling a homogeneous, lean fuel-air mixture (λ > 1) to be formed essentially inside the entire combustion chamber (18), and a second amount of fuel is injected into the combustion chamber (18) in the form of a main injection (MS) in a working stroke of the internal combustion engine directly before the moment of ignition (ZT) enabling a layered fat fuel-air mixture (λ < 1) to be formed in the region of the spark plug (26). The main injection (MS) is carried out in the form of a multiple injection with several layered injections over a short time interval. This enables the emission of noxious substances and fuel consumption to be reduced after a cold start and makes it possible to avoid a constructively complex secondary air injection.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit KraftStoffdirekteinspritzung Method for operating an internal combustion engine with direct fuel injection
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart.The invention relates to a method for operating a spark-ignited internal combustion engine, in particular for operating a spark-ignited internal combustion engine after the cold start.
Bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine entstehen nach demIn a conventional internal combustion engine arise after
Kaltstart durch die schlechte Gemischaufbereitung im kaltenCold start due to poor mixture preparation in the cold
Brennraum hohe Kohlenwasserstoff- undCombustion chamber high hydrocarbon and
Kohlenstoffmonoxidemissionen. Um die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte zu unterschreiten, muss der Katalysator nach dem Kaltstart möglichst schnell eineCarbon monoxide emissions. In order to fall below the emission limit values prescribed by law, the catalytic converter has to be switched on as soon as possible after a cold start
Temperatur erreichen, bei der eine ausreichendeReach temperature at which sufficient
Schadstoff onvertierung gewährleistet ist. Diese Temperatur wird im Allgemeinen als Light-Off-Temperatur bezeichnet.Pollution conversion is guaranteed. This temperature is commonly referred to as the light-off temperature.
Zur Lösung dieses Problems wird herkömmlicher Weise dem Brennraum ein fettes Ladungsgemisch zur Verfügung gestellt, um eine ausreichende Entflammungssicherheit des im Brennraum gebildeten Gemisches zu gewährleisten und den Katalysator für die Abgasnachbehandlung aufzuheizen. Zusätzlich wird häufig eine Sekundarlufteinblasung vorgesehen, um eine Nachoxidation des Verbrennungsgases im Auslasskanal oder im Katalysator zu ermöglichen. Nachteilig an diesen Lösungsansätzen ist jedoch ein erhöhter Kraftstoffverbrauch aufgrund des fetten Ladungsgemisches und die verschiedenen konstruktiven Maßnahmen in Zusammenhang mit der Sekundarlufteinblasung. Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorzusehen, mit welchem die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch nach dem Kaltstart reduziert werden können und gleichzeitig auf eine Sekundarlufteinblasung verzichtet werden kann.In order to solve this problem, a rich charge mixture is conventionally made available to the combustion chamber in order to ensure sufficient flame resistance of the mixture formed in the combustion chamber and to heat up the catalyst for the exhaust gas aftertreatment. In addition, a secondary air injection is often provided in order to enable post-oxidation of the combustion gas in the exhaust duct or in the catalytic converter. A disadvantage of these approaches, however, is an increased fuel consumption due to the rich charge mixture and the various design measures in connection with the secondary air injection. It is therefore an object of the invention to provide a method for operating an internal combustion engine with which the pollutant emissions and the fuel consumption after the cold start can be reduced and at the same time secondary air injection can be dispensed with.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mitThis object is achieved by a method for operating a spark-ignition internal combustion engine
Kraftstoffdirekteinspritzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 13.Direct fuel injection with the features of claim 1 solved. Advantageous refinements and developments of the invention are the subject of subclaims 2 to 13.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mitIn the method according to the invention for operating a spark ignition internal combustion engine with
Kraftstoffdirekteinspritzung nach dem Kaltstart wird einem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt; in den Brennraum wird mittels eines Kraftstoffinjektors Kraftstoff eingespritzt; und ein in dem Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündkerze zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt gezündet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Voreinspritzung einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird; und dass anschließend eine Haupteinspritzung einer zweiten Kraftstoffmenge in einem Arbeitshub der Brennkraftmaschine unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze eine geschichtete, fette Kraftstoff-Luft-Wolke (λ < 1) gebildet wird, wobei die Haupteinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt wird. Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird die in den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge auf zwei Einspritzmengen aufgeteilt. Die Voreinspritzung erfolgt im Ansaughub der Brennkraftmaschine, um im gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Mit der Haupteinspritzung im Arbeitshub der Brennkraftmaschine wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich der Zündkerze gebildet, sodass selbst bei sehr späten Zündzeitpunkten eine sichere Entflammung dieser Ladungswolke ermöglicht wird. Durch den späten Zündzeitpunkt wird eine hohe Abgastemperatur erzeugt, was die Nachoxidation von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden im Abgassystem begünstigt. Diese hohe Abgastemperatur sowie die Nachoxidation der Schadstoffe im Katalysator selbst sorgen für ein beschleunigtes Aufheizen des (Stirnwand-) Katalysators, der somit nach wenigen Sekunden seine Light-Off-Temperatur erreicht, wodurch insgesamt die Schadstoffemissionen deutlich reduziert werden können. Durch das Aufteilen der zweiten Kraftstoffmenge in mehrere Schichteinspritzungen wird eine bessere Durchmischung des Kraftstoffdampfes mit Frischluft bewirkt, was eine größere eingespritzte zweite Kraftstoffmenge erlaubt, ohne dass die Verbrennung dieser fetten Ladung zu einer übermäßig hohen Kohlenmonoxidemission führt .Direct fuel injection after the cold start delivers combustion air to a combustion chamber; fuel is injected into the combustion chamber by means of a fuel injector; and a fuel-air mixture formed in the combustion chamber is ignited by means of a spark plug at a predetermined ignition timing. The method according to the invention is characterized in that a pre-injection of a first fuel quantity in an intake stroke of the internal combustion engine is injected into the combustion chamber, with which a homogeneous, lean fuel-air mixture (λ> 1) is essentially formed in the entire combustion chamber; and that a main injection of a second fuel quantity is then injected into the combustion chamber in a working stroke of the internal combustion engine immediately before the ignition point, with which a stratified, rich fuel-air cloud (λ <1) is formed in the region of the spark plug, the main injection being Multiple injection with multiple stratified injections is carried out in short succession. After the cold start of the internal combustion engine, the fuel quantity to be injected into the combustion chamber is divided into two injection quantities. The pre-injection takes place in the intake stroke of the internal combustion engine in order to form a homogeneous, lean fuel-air mixture in the entire combustion chamber. With the main injection in the working stroke of the internal combustion engine, a stratified, rich fuel-air mixture is formed in the area of the spark plug immediately before the ignition point, so that a reliable ignition of this charge cloud is made possible even at very late ignition points. The late ignition timing creates a high exhaust gas temperature, which favors the post-oxidation of hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides in the exhaust system. This high exhaust gas temperature and the post-oxidation of the pollutants in the catalytic converter itself accelerate the heating of the (bulkhead) catalytic converter, which thus reaches its light-off temperature after a few seconds, which means that overall pollutant emissions can be significantly reduced. By dividing the second fuel quantity into several stratified injections, better mixing of the fuel vapor with fresh air is achieved, which allows a larger injected second fuel quantity without the combustion of this rich charge leading to an excessively high carbon monoxide emission.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt entweder nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder wahlweise zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen.In one embodiment of the invention, the main injection is carried out as a double injection with two stratified injections. In this case, the ignition timing can lie either after the second stratified injection of the main injection or between the first and second stratified injection of the main injection. In an alternative embodiment of the invention, the main injection is carried out as a triple injection with three stratified injections. In this case, the ignition timing can lie after the third stratified injection of the main injection or optionally between the first and the second or between the second and the third stratified injection of the main injection.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung gemittelt über den gesamten Brennraum leicht mager, wobei das mittlere Kraftstoff-Luft-Verhältnis im gesamten Brennraum bevorzugt etwa λ = 1,05 beträgt. Dieser Sauerstoffüberschuss ermöglicht eine vollständige Oxidation der gesamten eingespritzten Kraftstoffmenge ohne zusätzliche Sekundarlufteinblasung.In a preferred embodiment of the invention, the fuel-air mixture after the second stratified injection is slightly lean averaged over the entire combustion chamber, the average fuel-air ratio in the entire combustion chamber preferably being approximately λ = 1.05. This excess of oxygen enables a complete oxidation of the total injected fuel quantity without additional secondary air injection.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können späte Zündzeitpunkte von bis zu 30°KW oder 35°KW nach einem oberen Zünd-Totpunkt bei einer ausreichenden Laufruhe der Brennkraftmaschine erzielt werden.With the method according to the invention, late ignition times of up to 30 ° KW or 35 ° KW after an upper ignition dead center can be achieved with sufficient smooth running of the internal combustion engine.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Zündzeitpunkt etwa 2°KW bis 10°KW nach dem Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung.In a further embodiment of the invention, the ignition point is approximately 2 ° KW to 10 ° KW after the end of the first stratified injection of the main injection.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auch die Voreinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert.In a still further embodiment of the invention, the pilot injection is also carried out as a multiple injection with a plurality of homogeneous injections. This measure further improves the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nach der Zündung des geschichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches eine weitere Nacheinspritzung mit einer dritten Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt. Durch diese zusätzliche Kraftstoffeinspritzung, die in den Arbeitshub der Brennkraftmaschine erfolgt, wird dem Abgas weitere chemische Energie zugeführt, wodurch die Abgastemperaturen aufgrund einer vollständigen Nachoxidation von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden noch weiter erhöht werden.In a preferred embodiment of the invention, after the stratified fuel-air mixture is ignited, a further post-injection with a third quantity of fuel injected into the combustion chamber. As a result of this additional fuel injection, which takes place in the working stroke of the internal combustion engine, additional chemical energy is supplied to the exhaust gas, as a result of which the exhaust gas temperatures are increased even further due to complete post-oxidation of hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine Momentenabgabe der Brennkraftmaschine durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung und das Verhältnis der zweiten Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung zu der gesamten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung geregelt werden. Alternativ kann die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine auch durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung, korrigiert um den an der Verbrennung teilnehmenden Anteil der ersten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung geregelt werden.According to a further embodiment of the invention, a torque output of the internal combustion engine can be regulated by the second fuel quantity of the main injection and the ratio of the second fuel quantity of the main injection to the total fuel quantity of the pre-injection and the main injection. Alternatively, the torque output of the internal combustion engine can also be regulated by the second fuel quantity of the main injection, corrected by the proportion of the first fuel quantity of the pre-injection participating in the combustion.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. KonkreteFurther features and combinations of features result from the description and the drawings. concrete
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:Exemplary embodiments of the invention are shown in simplified form in the drawings and are explained in more detail in the description below. Show:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei welcher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;Figure 1 is a schematic cross-sectional view through a cylinder of a spark-ignition internal combustion engine with direct fuel injection, in which the method according to the present invention can be used.
Fig. 2 ein schematisch.es Diagramm eines Vergleichsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, zur Erläuterung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung;FIG. 2 shows a schematic diagram of a comparative example of an injection profile of the internal combustion engine of FIG. 1 after a cold start, plotted over the Crank angle, to explain the basic principle of the present invention;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Temperaturverlaufs eines Oxidationskatalysators der Brennkraftmaschine von Fig. 1 für einen Einspritzverlauf gemäß Fig. 2 ;3 shows a schematic diagram of the temperature profile over time of an oxidation catalytic converter of the internal combustion engine from FIG. 1 for an injection profile according to FIG. 2;
Fig. 4 ein. schematisches Diagramm des zeitlichen Emissionsverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1 für einen Einspritzverlauf gemäß Fig. 2;Fig. 4 a. 1 shows a schematic diagram of the emission curve over time of the internal combustion engine from FIG. 1 for an injection curve according to FIG. 2;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel , gemäß der vorliegenden Erfindung;FIG. 5 shows a schematic diagram of a first exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention;
Fig. 6 ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;6 shows a schematic diagram of a second exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel , gemäß der vorliegenden Erfindung;7 shows a schematic diagram of a third exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention;
Fig. 8 ein schematisches Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung; und8 shows a schematic diagram of a fourth exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention; and
Fig. 9 ein schematisches Diagramm eines fünften Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1 nach einem Kaltstart, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung.FIG. 9 shows a schematic diagram of a fifth exemplary embodiment of an injection profile of the internal combustion engine from FIG. 1 after a cold start, plotted against the crank angle, according to the present invention.
Fig. 1 zeigt stark vereinfacht einen Zylinder 12 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 10 mit1 shows, in a highly simplified manner, a cylinder 12 of an externally ignited internal combustion engine 10
Kraftstoffdirekteinspritzung. In dem Zylinder 12 wird ein Brennraum 18 durch einen Kolben 14 und einen den Zylinder 12 verschließenden Zylinderkopf 16 begrenzt. Im Zylinderkopf 16 ist zentral ein Kraftstoffinjektor 20 angeordnet, mit welchem durch eine Düsenöffnung 22 Kraftstoff in den Brennraum 18 eingespritzt werden kann. Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) bestimmt während einer Startphase der Brennkraftmaschine 10 u.a. die Einspritzzeitpunkte des Kraftstoffes mit den zugehörigen Kraftstoffmengen und einen Zündzeitpunkt, an dem mittels einer Zündkerze 26 oder dergleichen ein im Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft- Gemisch gezündet wird.Direct fuel injection. In the cylinder 12, a combustion chamber 18 is delimited by a piston 14 and a cylinder head 16 closing the cylinder 12. A fuel injector 20 is arranged centrally in the cylinder head 16, with which fuel can be injected into the combustion chamber 18 through a nozzle opening 22. A control device (not shown) determines, among other things, during a starting phase of the internal combustion engine 10. the injection times of the fuel with the associated fuel quantities and an ignition time at which a fuel-air mixture formed in the combustion chamber is ignited by means of a spark plug 26 or the like.
Bei der Freigabe der Düsenöffnung 22 des Kraftstoffinj ektors 20 wird der Kraftstoff in Form eines Kegelstrahls 24 mit einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 110° in den Brennraum 18 eingespritzt. Die Positionierung der Zündkerze 26 im Brennraum 18 ist derart gewählt, dass die Elektroden 28 der Zündkerze 26 durch den eingespritzten Kraftstoffkegel 24 nicht benetzt werden.When the nozzle opening 22 of the fuel injector 20 is released, the fuel is injected into the combustion chamber 18 in the form of a cone jet 24 with an opening angle between 70 ° and 110 °. The positioning of the spark plug 26 in the combustion chamber 18 is selected such that the electrodes 28 of the spark plug 26 are not wetted by the injected fuel cone 24.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 arbeitet vorzugsweise nach dem Viertakt-Prinzip. In einem ersten Takt eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 10, dem sogenannten Ansaughub, wird dem Brennraum 18 durch einen Einlasskanal (nicht dargestellt) Verbrennungsluft zugeführt. Dabei bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt UT. In einem weiteren Kompressionshub der Brennkraftmaschine 10 bewegt sich der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt ZOT. In einem nachfolgenden Expansionshub bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegung wieder bis zu einem unteren Totpunkt UT; und in einem vierten Ausschiebehub fährt der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung bis zu einem oberen Totpunkt OT, um dabei die Abgase aus dem Brennraum 18 auszuschieben.The internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 preferably works according to the four-stroke principle. In a first bar of a working cycle of the internal combustion engine 10, the so-called intake stroke, combustion air is supplied to the combustion chamber 18 through an inlet duct (not shown). The piston 14 moves in a downward movement to a bottom dead center UT. In a further compression stroke of internal combustion engine 10, piston 14 moves in an upward movement from bottom dead center UT to top ignition dead center ZOT. In a subsequent expansion stroke, the piston 14 moves downward again to a bottom dead center UT; and in a fourth extension stroke, the piston 14 moves in an upward movement to an upper dead center TDC, in order to push out the exhaust gases from the combustion chamber 18.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, bei einem gleichzeitigen Verzicht auf eine zusätzliche Sekundarlufteinblasung die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch nach dem Kaltstart zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass ein sehr später Zündzeitpunkt ZT bei dennoch sicherer Entflammung des Kraftstoff-Luft- Gemisches im Brennraum 18 und ausreichender Laufruhe der Brennkraftmaschine ermöglicht wird. Anhand der Darstellung der Fig. 2 bis 4 soll zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip näher erläutert werden.The aim of the method according to the invention is to reduce the pollutant emissions and the fuel consumption after the cold start, while at the same time dispensing with an additional secondary air injection. This is achieved in that a very late ignition point ZT is made possible with a reliable ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber 18 and the internal combustion engine running smoothly. 2 to 4, the principle on which the invention is based will first be explained in more detail.
In Fig. 2 sind dabei die Einspritzvorgänge ES nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine 10 über dem Kurbelwinkel °KW aufgetragen. Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Aufteilung des eingespritzten Kraftstoffs in zwei Teile, nämlich eine homogene Voreinspritzung MH und eine geschichtete Haupteinspritzung Ms .2, the injection processes ES after the cold start of the internal combustion engine 10 are plotted over the crank angle ° KW. An essential point of the method according to the invention is the division of the injected fuel into two parts, namely a homogeneous pre-injection M H and a stratified main injection M s .
Zunächst wird im Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 eine erste Kraftstoffmenge in einer Voreinspritzung MH eingespritzt, sodass im gesamten Brennraum 18 ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ > 1, bevorzugt λ & 1 , 6 gebildet wird. Dies stellt ein ausreichendes Angebot an Kohlenwasserstoffmolekülen für die Nachoxidation zur Verfügung. Anschließend wird im Arbeitshub der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT eine zweite Kraftstoffmenge in einer Haupteinspritzung Ms in den Brennraum 18 als Schichteinspritzung eingespritzt, sodass im Bereich der Zündkerze 26 eine geschichtete Ladungswolke 30 mit λ < 1, zum Beispiel λ « 0,8, gebildet wird, welche sich zum Zündzeitpunkt ZT an der Zündkerze 26 befindet . So wird selbst bei sehr späten Zündzeitpunkten ZT von bis 30°KW oder 35°KW nach dem oberen Zünd-Totpunkt ZOT eine sichere Entflammung der im Brennraum 18 vorhandenen Ladung gewährleistet. Durch die schnelle Verbrennung des fetten Ladungsgemisches ist die Verbrennung der geschichteten Ladungswolke 30 bis zum Öffnen des Auslassventils abgeschlossen.First, in the intake stroke of the internal combustion engine 10, a first amount of fuel in a pilot injection M H injected so that a homogeneous fuel-air mixture with a fuel-air ratio λ > 1, preferably λ & 1, 6 is formed in the entire combustion chamber 18. This provides a sufficient supply of hydrocarbon molecules for post-oxidation. A second fuel quantity in a main injection M s is then injected into the combustion chamber 18 as a stratified injection in the working stroke of the internal combustion engine 10 immediately before the ignition point ZT, so that in the area of the spark plug 26 a stratified charge cloud 30 with λ <1, for example λ <0.8 , which is located on the spark plug 26 at the ignition point ZT. Thus, even at very late ignition times ZT of up to 30 ° KW or 35 ° KW after the top ignition dead center ZOT, a reliable ignition of the charge present in the combustion chamber 18 is guaranteed. The combustion of the stratified charge cloud 30 is completed by the rapid combustion of the rich charge mixture until the outlet valve opens.
Die LadungsSchichtung ist bei einem strahlgeführten Brennverfahren durch die Strahlausbildung vorgegeben. Eine Einspritzung bei einer bestimmten Kolbenstellung wie bei einem wandgeführten Brennverfahren ist hier nicht notwendig. Dies ermöglicht eine stabile LadungsSchichtung bei allen Einspritzzeitpunkten und somit eine größere Freiheit bei der Wahl des Zünd- und des Einspritzzeitpunktes.The charge stratification is given by the beam formation in a jet-guided combustion process. Injection at a certain piston position, such as in a wall-guided combustion process, is not necessary here. This enables stable charge stratification at all injection times and thus greater freedom in the choice of the ignition and injection timing.
Vorzugsweise ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung gemittelt über den gesamten Brennraum 18 leicht mager, d.h. das mittlere Kraftstoff-Luft-Verhältnis im gesamten Brennraum 18 beträgt bevorzugt etwa λ = 1,05. Dieser Sauerstoffüberschuss ermöglicht eine vollständige Oxidation der gesamten eingespritzten Kraftstoffmenge ohne zusätzliche Sekundarlufteinblasung. Die Freiheit in der Wahl des Zündzeitpunktes ZT in Verbindung mit der gegebenen EntflammungsSicherheit und Laufruhe bei extrem späten Zündzeitpunkten ermöglicht die folgende Katalysator-Heizstrategie.After the second stratified injection, the fuel-air mixture is preferably slightly lean averaged over the entire combustion chamber 18, ie the average fuel-air ratio in the entire combustion chamber 18 is preferably approximately λ = 1.05. This excess of oxygen enables a complete oxidation of the total injected fuel quantity without additional secondary air injection. The following catalyst heating strategy enables freedom in the selection of the ignition timing ZT in connection with the given ignition safety and smooth running at extremely late ignition timing.
Durch die Voreinspritzung MH im Ansaughub wird im gesamten Brennraum 18 ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Dies stellt ein aus-reichendes Angebot an Kohlenwasserstoffmolekülen für die Nachoxidation zur Verfügung. Durch die geschichtete Haupteinspritzung Ms im Bereich der Zündkerze 26 wird eine Ladungswolke mit fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt, die eine sichere Entflammung gewährleistet. Durch die schnelle Verbrennung des fetten Gemisches ist die Verbrennung der geschichteten Ladung bis zum Öffnen des Auslassventils abgeschlossen.The pre-injection M H in the intake stroke generates a lean fuel-air mixture in the entire combustion chamber 18. This provides a sufficient supply of hydrocarbon molecules for post-oxidation. The stratified main injection M s in the area of the spark plug 26 generates a charge cloud with a rich fuel-air mixture, which ensures reliable ignition. The combustion of the stratified charge is completed by the rapid combustion of the rich mixture until the exhaust valve opens.
Die Flammenfront der Verbrennung setzt sich im weiteren Verlauf des Arbeitsspiels in die Bereiche des Brennraums 18 fort, in denen das magere Gemisch vorliegt. Die Brenngeschwindigkeit reduziert sich im Bereich der mageren Verbrennung allerdings deutlich, weshalb die Verbrennung beim Öffnen des Auslassventils noch nicht abgeschlossen ist. Dadurch werden im Auslasskanal und vor dem Stirnwandkatalysator sehr hohe Abgastemperaturen erreicht.The flame front of the combustion continues in the further course of the working cycle into the areas of the combustion chamber 18 in which the lean mixture is present. However, the burning rate is significantly reduced in the area of lean combustion, which is why the combustion is not yet complete when the exhaust valve is opened. As a result, very high exhaust gas temperatures are reached in the exhaust duct and in front of the bulkhead catalytic converter.
Durch die Verbrennung des fetten Ladungsgemisches der geschichteten Haupteinspritzung Ms entsteht eine große Menge Kohlenmonoxid. Dieses Kohlenmonoxid wird in der Ausschiebephase zusammen mit teilweise noch unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus den Magerbereichen nachoxidiert .The combustion of the rich charge mixture of the stratified main injection M s produces a large amount of carbon monoxide. This carbon monoxide is reoxidized in the exhaust phase together with partially unburned hydrocarbons from the lean areas.
Die Graphik von Fig. 3 zeigt gemessene Abgastemperaturen vor bzw. im Stirnwandkatalysator bei einer Kaltstartemissionsmessung für das Einspritzverfahren von Fig. 2. Der Ablauf der Messung entspricht den ersten Sekunden des EU98A-Zyklus. Es ist deutlich erkennbar, dass durch den späten Zündzeitpunkt ZT in Verbindung mit der effektiven Nachoxidation des Kohlenmonoxids aus der fetten Ladungswolke 30 sowie der Kohlenwasserstoffe aus den Bereichen mit magerem Frischgemisch sehr hohe Abgaswärmeströme zum Aufheizen des Stirnwandkatalysators bereit gestellt werden. Im Vergleich zu einem homogenen Katalysator-Aufheizen (Kurven d, e und f) mit spätem Zündzeitpunkt ZT hat dies eine starke Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur des Katalysators zur Folge.The graph of FIG. 3 shows measured exhaust gas temperatures upstream or in the bulkhead catalytic converter at Cold start emission measurement for the injection process of Fig. 2. The measurement sequence corresponds to the first seconds of the EU98A cycle. It can be clearly seen that the late ignition timing ZT in conjunction with the effective post-oxidation of the carbon monoxide from the rich charge cloud 30 and the hydrocarbons from the areas with a lean fresh mixture provide very high exhaust gas heat flows for heating the bulkhead catalytic converter. Compared to homogeneous catalyst heating (curves d, e and f) with a late ignition point ZT, this results in a considerable reduction in the time until the catalyst light-off temperature is reached.
Fig. 4 zeigt eine zugehörige Messung der Schadstoffemissionen, gemessen mit einer für Abgastests verwendeten CVS-Messanlage . Deutlich wird hier vor allem die geringe Kohlenwasserstoffemission direkt nach dem Kaltstart (Kurve A) . Die Kohlenwasserstoffe aus den Magerbereichen des Brennraums 18 werden nahezu vollständig aufoxidiert . Auch die Kohlenmonoxidemissionen aus den fetten Ladungsbereichen werden größtenteils aufoxidiert (Kurve C) .. Die hohen Kohlenmonoxidemissionen bei einem rein homogenen Katalysator- Aufheizen (Kurve D) werden durch die im Kaltstart nötige Anfettung verursacht; dies ist bei einem rein homogenen Einspritzverfahren notwendig, um eine befriedigende Laufruhe der Brennkraftmaschine zu erzielen. Durch den bereits sehr schnell (z.B. nach etwa 11 Sekunden) betriebsbereiten Stirnwandkatalysator ist bei einem homogen-geschichteten Einspritzverfahren gerade in der ersten Beschleunigungsphase eine starke Emissionsreduzierung zu beobachten.4 shows an associated measurement of the pollutant emissions, measured with a CVS measuring system used for exhaust gas tests. The low hydrocarbon emissions immediately after the cold start (curve A) are particularly evident here. The hydrocarbons from the lean areas of the combustion chamber 18 are almost completely oxidized. Most of the carbon monoxide emissions from the rich charge areas are oxidized (curve C). The high carbon monoxide emissions from a purely homogeneous catalyst heating (curve D) are caused by the enrichment required in the cold start; this is necessary in a purely homogeneous injection process in order to achieve a satisfactory smooth running of the internal combustion engine. The end wall catalytic converter, which is ready for operation very quickly (e.g. after about 11 seconds), shows a significant reduction in emissions, especially in the first acceleration phase, with a homogeneously stratified injection process.
Anhand der Fig. 5 bis 9 werden nachfolgend verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens nach dem Kaltstart näher erläutert, die auf dem oben beschriebenen Grundprinzip der Erfindung beruhen.Various preferred exemplary embodiments of the injection method according to the invention after the cold start are explained in more detail below with reference to FIGS are based on the basic principle of the invention described above.
In dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 5 erfolgt die Voreinspritzung MH im Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 als einfache homogene Einspritzung in den Brennraum 18. Die geschichtete Haupteinspritzung Ms erfolgt im Arbeitshub der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung innerhalb weniger Millisekunden. Durch die Ausführung der geschichteten Haupteinspritzung Ms als Mehrfacheinspritzung wird die Gemischbildung der fetten Ladungswolke 30 im Bereich der Zündkerze 26 aufgrund einer besseren Durchmischung des Kraftstoffdampfes mit der Frischluft weiter verbessert.In the first exemplary embodiment of FIG. 5, the pre-injection M H takes place in the intake stroke of the internal combustion engine 10 as a simple homogeneous injection into the combustion chamber 18. The stratified main injection M s takes place in the working stroke of the internal combustion engine 10 immediately before the ignition point ZT as a double injection with a first and a first second layer injection within a few milliseconds. The formation of the stratified main injection M s as a multiple injection further improves the mixture formation of the rich charge cloud 30 in the area of the spark plug 26 due to better mixing of the fuel vapor with the fresh air.
Durch den späten Zündzeitpunkt ZT von etwa 30°KW bis 35°KW nach ZOT wird eine hohe Abgastemperatur erzeugt, da der späte Zündzeitpunkt ZT eine späte Schwerpunktlage sowie ein spätes Brennende zur Folge hat . Diese Randbedingungen der hohen Abgastemperatur und des leichten Sauerstoffüberschusses begünstigen die Nachoxidation von CO und HC im AbgasSystem, sowohl im Auslasskanal und Abgaskrümmer als auch im Stirnwandkatalysator. Die dabei frei werdende Reaktionswärme bewirkt einen weiteren Anstieg der Abgastemperatur. Diese hohe Abgastemperatur sowie die Oxidation von CO und HC im Katalysator selbst sorgen für ein beschleunigtes Aufheizen des Stirnwandkatalysators, der somit bereits nach wenigen Sekunden seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, sodass die Schadstoffemissionen reduziert werden können.Due to the late ignition timing ZT of about 30 ° KW to 35 ° KW according to ZOT, a high exhaust gas temperature is generated, since the late ignition timing ZT results in a late center of gravity and a late burning end. These boundary conditions of the high exhaust gas temperature and the slight excess of oxygen favor the post-oxidation of CO and HC in the exhaust system, both in the exhaust duct and exhaust manifold as well as in the bulkhead catalytic converter. The heat of reaction released thereby causes a further rise in the exhaust gas temperature. This high exhaust gas temperature and the oxidation of CO and HC in the catalytic converter itself accelerate the heating of the bulkhead catalytic converter, which therefore reaches its light-off temperature after only a few seconds, so that pollutant emissions can be reduced.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 liegt der ZündzeitpunktIn the embodiment of FIG. 5, the ignition point is
ZT erst nach der zweiten Schichteinspritzung derSometimes only after the second layer injection of the
Haupteinspritzung Ms. Allerdings ist der Zündzeitpunkt ZT wie auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen bevorzugt an das Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms gekoppelt, wobei der Abstandswinkel Δ in Abhängigkeit vom Betriebspunkt bevorzugt etwa 2°KW bis etwa 10°KW beträgt. Daher erfolgt die Haupteinspritzung Ms bei sehr späten Zündzeitpunkten ZT im Arbeitshub.Main injection M s . However, the ignition timing is like also in all other exemplary embodiments preferably coupled to the end of the first stratified injection of the main injection M s , the distance angle Δ depending on the operating point preferably being about 2 ° KW to about 10 ° KW. Therefore, the main injection M s takes place at very late ignition times ZT in the working stroke.
Wie in Fig. 6 veranschaulicht, kann der Zündzeitpunkt ZT alternativ auch zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der als Doppeleinspritzung ausgeführten Haupteinspritzung Ms liegen. Die anderen Aspekte des Einspritzverfahrens von Fig. 6 entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 5.As illustrated in FIG. 6, the ignition timing ZT can alternatively also lie between the first and the second stratified injection of the main injection M s , which is designed as a double injection. The other aspects of the injection method of FIG. 6 correspond to those of the first embodiment of FIG. 5.
Während in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel die Haupteinspritzung Ms als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung ausgeführt wird, wird die Haupteinspritzung Ms im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 7 als Dreifacheinspritzung mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Schichteinspritzung durchgeführt. Der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzung und dem Zündzeitpunkt ZT beträgt auch in diesem Fall bevorzugt etwa 2°KW bis etwa 10°KW.While in the first and the second exemplary embodiment the main injection M s is carried out as a double injection with a first and a second stratified injection, the main injection M s is carried out in the third exemplary embodiment of FIG. 7 as a triple injection with a first, a second and a third stratified injection. The spacing angle Δ between the end of the first layer injection and the ignition point ZT is also in this case preferably about 2 ° KW to about 10 ° KW.
Wie in Fig. 7 dargestellt, erfolgt die Zündung ZT zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der geschichteten Haupteinspritzung Ms. Wahlweise kann der Zündzeitpunkt ZT aber auch zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms liegen, wie in Fig. 7 angedeutet, oder sogar erst nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms liegen.As shown in FIG. 7, the ignition ZT takes place between the first and the second stratified injection of the stratified main injection M s . Alternatively, the ignition timing ZT can also lie between the second and the third stratified injection of the main injection M s , as indicated in FIG. 7, or even only after the third stratified injection of the main injection M s .
Das in Fig. 8 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 7 dadurch, dass auch die homogene Voreinspritzung MH als Mehrfacheinspritzung, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Doppeleinspritzung, ausgeführt wird. Durch diese homogene Doppeleinspritzung wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert.The fourth exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 8 differs from the third Embodiment of FIG. 7 in that the homogeneous pilot injection M H is carried out as a multiple injection, in the embodiment shown as a double injection. This homogeneous double injection further improves the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese homogene Mehrfacheinspritzung MH von Fig. 8 auch mit allen anderen gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, ohne dass dies explizit dargestellt ist.At this point, it should be expressly pointed out that this homogeneous multiple injection M H from FIG. 8 can also be combined with all the other exemplary embodiments shown, without this being explicitly shown.
Fig. 9 zeigt schließlich ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens, welches eine Weiterentwicklung des zweiten Ausführungsbeispiels von Fig. 6 darstellt. Bei diesem Einspritzverfahren findet zusätzlich eine Nacheinspritzung MN mit einer dritten Kraftstoffmenge nach der Zündung ZT bzw. der geschichteten Haupteinspritzung Ms statt. Diese Nacheinspritzung MN erfolgt im Arbeitstakt in das heiße Verbrennungsgas, wodurch weitere chemische Energie zugeführt wird. Durch die im Auslasskanal herrschenden Umgebungsbedingungen wird die nachgespritzte Kraftstoffmenge vollständig nachoxidiert , sofern ein ausreichender Sauerstoffüberschuss vorhanden ist.Finally, FIG. 9 shows a fifth exemplary embodiment of the injection method according to the invention, which represents a further development of the second exemplary embodiment from FIG. 6. In this injection method, an additional injection M N takes place with a third fuel quantity after the ignition ZT or the stratified main injection M s . This post-injection M N takes place in the hot combustion gas in the work cycle, whereby additional chemical energy is supplied. As a result of the ambient conditions prevailing in the outlet duct, the amount of post-sprayed fuel is completely re-oxidized, provided there is a sufficient excess of oxygen.
Das vorliegende Einspritzverfahren sieht außerdem vor, dass die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung Ms und das Verhältnis (Ms / MH+MS) der zweiten Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung Ms zu der gesamten Kraftstoffmenge der homogenen Voreinspritzung MH und der geschichteten Haupteinspritzung Ms geregelt werden. Alternativ kann die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine auch durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung Ms, korrigiert um den an der Verbrennung teilnehmenden Anteil der ersten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung MH geregelt werden.The present injection method also provides that the torque output of the internal combustion engine by the second fuel quantity of the main injection M s and the ratio (M s / M H + M S ) of the second fuel quantity of the main injection M s to the total fuel quantity of the homogeneous pilot injection M H and the stratified main injection M s are regulated. As an alternative, the torque output of the internal combustion engine can also be corrected by the second fuel quantity of the main injection M s , corrected for that at the combustion Participating portion of the first fuel quantity of the pre-injection M H can be regulated.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mitThe present invention is particularly suitable for a spark ignition internal combustion engine
Kraftstoffdirekteinspritzung. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere in den niedrigeren Schadstoffemissionen nach dem Kaltstart durch ein schnelles Aufheizen des Stirnwandkatalysators sowie durch eine effektive Nachoxidation der entstehenden Rohemissionen; in einer Kraftstoffeinsparung durch den Verzicht auf eine Gemischanfettung im Nachstart sowie der Verkürzung der Katalysator-Aufheizdauer; und in einem Verzicht auf Nebenaggregate und einer Raum- und Kostenersparnis in Zusammenhang mit der nicht erforderlichen Sekundarlufteinblasung . Direct fuel injection. The advantages of the present invention are, in particular, the lower pollutant emissions after the cold start by rapid heating of the bulkhead catalytic converter and by effective post-oxidation of the raw emissions which arise; in fuel savings through the omission of a mixture enrichment in the after-start and the shortening of the catalyst heating-up time; and in doing without auxiliary units and saving space and costs in connection with the unnecessary secondary air injection.

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung nach dem Kaltstart, bei welchem einem Brennraum (18) Verbrennungsluft zugeführt wird; in den Brennraum (18) mittels eines Kraftstoffinj ektors (20) Kraftstoff eingespritzt wird; und ein in dem Brennraum (18) gebildetes Kraftstoff-Luft- Gemisch mittels einer Zündkerze (26) zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt (ZT) gezündet wird, wobei eine Voreinspritzung (MH) einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (10) in den Brennraum (18) eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum (18) ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird; und anschließend eine Haupteinspritzung (Ms) einer zweiten Kraftstoffmenge in einem Arbeitshub derMethod for operating a spark-ignition internal combustion engine (10) with direct fuel injection after the cold start, in which combustion air is supplied to a combustion chamber (18); fuel is injected into the combustion chamber (18) by means of a fuel injector (20); and a fuel-air mixture formed in the combustion chamber (18) is ignited by means of a spark plug (26) at a predetermined ignition point (ZT), a pilot injection (M H ) of a first fuel quantity in an intake stroke of the internal combustion engine (10) into the Combustion chamber (18) is injected, with which a homogeneous, lean fuel-air mixture (λ> 1) is essentially formed in the entire combustion chamber (18); and then a main injection (M s ) of a second amount of fuel in one working stroke
Brennkraftmaschine unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennraum (18) eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze (26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ < 1) gebildet wird, wobei die Haupteinspritzung (Ms) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt wird. The internal combustion engine is injected into the combustion chamber (18) immediately before the ignition point (ZT), with which a stratified, rich fuel-air mixture (λ <1) is formed in the area of the spark plug (26), the main injection (M s ) is carried out as a multiple injection with several stratified injections in a short time sequence.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that the main injection (M s ) is carried out as a double injection with two stratified injections and the ignition point (ZT) is after the second stratified injection of the main injection.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.3. The method according to claim 1, characterized in that the main injection (M s ) is carried out as a double injection with two stratified injections and the ignition point (ZT) is between the first and the second stratified injection of the main injection.
4. Verf hren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.4. The method according to claim 1, characterized in that the main injection (M s ) is carried out as a triple injection with three stratified injections and the ignition point (ZT) is after the third stratified injection of the main injection.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.5. The method according to claim 1, characterized in that the main injection (M s ) is carried out as a triple injection with three stratified injections and the ignition timing (ZT) is between the first and the second or between the second and the third stratified injection of the main injection.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung (Ms) gemittelt über den gesamten Brennraum (18) leicht mager ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel-air mixture after the second stratified injection (M s ) averaged over the entire combustion chamber (18) is slightly lean.
7. Verfahren nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Kraftstoff-Luft-Verhältnis im gesamten Brennraum (18) nach der zweiten Schichteinspritzung (Ms) etwa λ = 1,05 beträgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the average fuel-air ratio in the entire combustion chamber (18) after the second stratified injection (M s ) is approximately λ = 1.05.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZT) etwa 10°KW bis 35°KW nach einem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) erfolgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the ignition point (ZT) takes about 10 ° KW to 35 ° KW after an upper ignition dead center (ZOT).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZT) etwa 2°KW bis 10°KW nach dem Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung (Ms) liegt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the ignition point (ZT) is about 2 ° KW to 10 ° KW after the end of the first stratified injection of the main injection (M s ).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Voreinspritzung (MH) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the pilot injection (M H ) is carried out as a multiple injection with a plurality of homogeneous injections.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zündung (ZT) des geschichteten Kraftstoff- Luft-Gemisches eine Nacheinspritzung (MN) mit einer dritten Kraftstoffmenge in den Brennraum (18) eingespritzt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that after the ignition (ZT) of the stratified fuel-air mixture, a post-injection (M N ) with a third quantity of fuel is injected into the combustion chamber (18).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Momentenabgabe der Brennkraftmaschine (10) durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung (Ms) und das Verhältnis der zweiten Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung (Ms) zu der gesamten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung (MH, Ms) geregelt wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that a torque delivery of the internal combustion engine (10) is regulated by the second fuel quantity of the main injection (M s ) and the ratio of the second fuel quantity of the main injection (M s ) to the total fuel quantity of the pre-injection and the main injection (M H , M s ).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Momentenabgabe der Brennkraftmaschine (10) durch die zweite Kraftstoffmenge der Haupteinspritzung (Ms) , korrigiert um den an der Verbrennung teilnehmenden Anteil der ersten Kraftstoffmenge der Voreinspritzung (MH) geregelt wird. 13. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that a torque delivery of the internal combustion engine (10) by the second fuel quantity of the main injection (M s ), corrected by the proportion of the first fuel quantity of the pre-injection (M H ) participating in the combustion. is regulated.
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