WO2005113967A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2005113967A1
WO2005113967A1 PCT/EP2005/051596 EP2005051596W WO2005113967A1 WO 2005113967 A1 WO2005113967 A1 WO 2005113967A1 EP 2005051596 W EP2005051596 W EP 2005051596W WO 2005113967 A1 WO2005113967 A1 WO 2005113967A1
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fuel
additional
ignition
internal combustion
combustion engine
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PCT/EP2005/051596
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Inventor
Axel Storch
Andreas Kufferath
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F02D41/0255—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus to accelerate the warming-up of the exhaust gas treating apparatus at engine start
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    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention initially relates to a method for operating an internal combustion engine, in which fuel is injected directly into at least one combustion chamber, in which the exhaust gas flowing out of the combustion chamber is cleaned of pollutants by a catalytic cleaning device, and in which the catalytic converter is heated
  • the exhaust gas temperature can be increased by injecting and burning an additional amount of fuel within a work cycle after the ignition of an injected fuel quantity.
  • Catalytic devices are used in the exhaust tract of an internal combustion engine in order to convert pollutants in the exhaust gas of the internal combustion engine into less environmentally relevant components.
  • the catalytic cleaning device In order to be able to achieve the desired cleaning performance, the catalytic cleaning device must have a certain operating temperature. Since the catalytic cleaning device normally has the temperature required for the desired cleaning, in particular after a cold start of the internal combustion engine has not yet been present, pollutants in the exhaust gas enter the atmosphere unconverted during this period.
  • Various strategies are known for accelerating the heating of the catalytic device to the normal operating temperature.
  • an internal combustion engine with direct fuel injection is known.
  • the fuel passes directly into the combustion chamber through a fuel injection device arranged on the combustion chamber.
  • fuel injection device arranged on the combustion chamber.
  • fuel is first injected into the combustion chamber of the internal combustion engine in order to generate the desired torque of the internal combustion engine through the combustion of this fuel.
  • an additional quantity of fuel is injected into the combustion chamber and ignited by the quantity of fuel which was just burning and which had previously been injected.
  • this "post-injected" amount of fuel is burned, a comparatively large amount of heat and little torque is generated. The heat generated is used to heat the catalytic cleaning device.
  • a problem with this is the point in time at which the additional amount of fuel is injected. If this injection takes place too early, there is a risk that the torque-generating combustion of the initially injected fuel quantity which is still running is suffocated, which can lead to increased emissions and in particular to the formation of soot. If, on the other hand, the additional fuel quantity is injected too late, there is a risk that the torque-generating combustion of the previously injected fuel quantity has already ended and therefore the additionally injected fuel quantity will no longer be ignited. It is therefore an object of the present invention to develop a method of the type mentioned at the outset such that the catalytic cleaning device can be heated reliably and essentially without additional emissions if necessary.
  • This object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that the ignition of the additional fuel quantity is initiated or supported by an additional ignition of an ignition device.
  • the method according to the invention has the advantage that the ignition of the additionally injected fuel quantity is completely decoupled from the combustion process of the previously injected fuel quantity.
  • the point in time of the injection and the combustion of the additional fuel quantity can therefore be selected such that, on the one hand, the combustion of the previously injected fuel quantity remains unaffected, which is particularly beneficial for the emission behavior of the internal combustion engine, and, on the other hand, that the catalytic device heats up quickly if necessary and can be brought about quickly.
  • the latter is possible in particular if the injection of the additional fuel quantity takes place relatively late, since this can significantly increase the enthalpy flow in the exhaust gas.
  • the corresponding thermal energy can be very effective for heating the catalytic cleaning device after starting the internal combustion engine, but also for keeping the warm Catalytic cleaning device can be used in normal operation of the internal combustion engine.
  • the method according to the invention can be used in all conventional internal combustion engines with direct fuel injection, in particular in internal combustion engines with wall-guided, air-guided or jet-guided methods. It is particularly advantageous to use the method according to the invention in the jet-guided method, since here the additional ignition can be assigned very well to the end of injection of the additional fuel quantity.
  • a first advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the additional fuel quantity is injected at the beginning of an expansion stroke, and that the additional ignition takes place immediately after the end of the injection of the additional fuel quantity.
  • This is particularly advantageous when the internal combustion engine is in an operating state in which the fuel is injected and burned relatively early during the "main injection".
  • the comparatively early injection and ignition of the additional fuel quantity proposed according to the invention is useful. In this case, however, the combustion of the additional fuel quantity not only generates heat, but also makes a certain contribution to the torque of the internal combustion engine.
  • the additional fuel quantity is injected at the beginning of an expansion cycle and that the additional ignition takes place towards the end of the expansion cycle or at the beginning of an exhaust cycle.
  • the energy released when the additional fuel quantity is burned is converted almost exclusively into heat, which enables the catalytic cleaning device to be heated particularly quickly.
  • this has an advantageous effect on the emission behavior of the internal combustion engine, since the comparatively late ignition of the additional fuel quantity can distribute it homogeneously in the internal combustion engine beforehand ("increased homogenization time").
  • the fuel-air mixture which is obtained by the total amount of fuel injected in one work cycle, is rich.
  • fuel-air mixture which is established on the basis of all fuel injections in a combustion chamber within one working cycle.
  • a rich fuel-air mixture means lambda values between 1.0 and 0.6.
  • Such a rich fuel-air mixture can be used, for example, for the regeneration of a catalytic cleaning device which comprises a nitrogen oxide storage catalytic converter. It is particularly advantageous if the overall rich fuel-air mixture is achieved after a comparatively long "homogenization time" already mentioned above, since locally extremely rich areas within the combustion chamber, which would result in poor emission behavior, are thereby avoided.
  • the catalytic device is additionally heated in a chemical manner in that the oxygen accumulated in the catalytic device during the lean operating phases of the internal combustion engine reacts catalytically and exothermically with the hydrocarbon introduced during the rich operating phases.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the ignition of the additional quantity of fuel by the additional ignition and, if appropriate, the ignition of the previously injected fuel quantity is or are timed in such a way that the torque produced by the combustion of the additional fuel quantity is compared to that by the combustion of the amount of fuel previously injected is small.
  • small is understood here to mean that the torque generated by the combustion of the additional fuel quantity is at most 10%, more preferably at most 5%, even more preferably at most 1% of the torque generated by the combustion of the previously injected fuel quantity.
  • the position of the injection required for generating the actual torque and of its ignition is ideally placed in such a way that it is as close as possible to the optimal ignition angle for fuel consumption.
  • the torque generated during the combustion of the additional fuel quantity can no longer be neglected, the torque can be easily taken into account by means of a map.
  • the times and amounts of the injections and the times of the ignitions within a work cycle depend on a temperature, a rotational speed, a load and, if appropriate, an intake manifold pressure of the internal combustion engine. This allows the internal combustion engine to be controlled in such a way that favorable emissions, smooth running and rapid heating of the catalytic device can be achieved in an optimal combination.
  • the invention also relates to a computer program which is programmed for use in a method of the above type. Furthermore, the invention relates to an electrical storage medium for a control and / or regulating device of an internal combustion engine, on which a computer program for use in a method of the above type is stored. A control and / or regulating device for an internal combustion engine, which is programmed for use in a method of the above type, is also the subject of the present invention. Finally, the invention is also aimed at an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, which comprises a control and / or regulating device which is programmed for use in a method of the above type.
  • Figure 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with direct fuel injection
  • FIG. 2 shows a diagram in which a piston stroke, different injection periods and different ignition times within a work cycle of a combustion chamber of the internal combustion engine from FIG. 1 are shown over time;
  • FIG. 3 shows a schematic illustration to explain the determination of the injection and ignition times of FIG. 2.
  • a 4-stroke internal combustion engine bears the overall reference number 10. It serves to drive a motor vehicle, which is not shown in FIG. 1, however.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of combustion chambers, only one of which is shown in FIG. 1 with the reference number 12.
  • Combustion air enters the combustion chamber 12 during operation of the internal combustion engine 10 via an inlet valve 14 and an intake pipe 16.
  • the amount of air flowing through the intake pipe 16 can be adjusted via a throttle valve 18. It is detected by an HFM sensor 20.
  • Internal combustion engine 10 is therefore one with direct fuel injection.
  • the fuel is provided to the fuel injector 22 by a high pressure fuel supply system 24.
  • a fuel-air mixture forms in the combustion chamber 12, which mixture can be ignited by a spark plug 26.
  • the fuel used is therefore petrol.
  • the spark plug 26 is controlled by an ignition system 28.
  • the exhaust gases generated in the combustion of the fuel-air mixture in the combustion chamber 12 are derived from the combustion chamber 12 via an exhaust valve 30 and an exhaust pipe 32.
  • the operation of the internal combustion engine 10 is controlled and regulated by a control and regulating device 36.
  • This receives signals from the HFM sensor 20, from a speed sensor 38, which measures the speed of a crankshaft (not shown) of the internal combustion engine 10, from a temperature sensor 40 of the internal combustion engine 10, which detects, for example, a cooling water or cylinder head temperature, from a temperature sensor 42, which detects the temperature of the catalytic cleaning device 34, and from a position transmitter 44 of an accelerator pedal 46 which the user of the internal combustion engine 10 expresses his torque request.
  • the fuel injection device 22, the ignition system 28 and the throttle valve 18 are controlled by the control and regulating device 36.
  • FIG. 2 shows the course of a work cycle of the internal combustion engine 10 over the time t.
  • a work cycle is understood to mean the complete sequence of all four cycles in the combustion chamber 12 under consideration.
  • the individual measures are labeled A, B, C and D in FIG.
  • A denotes an intake stroke
  • B a compression stroke
  • C an expansion stroke
  • D an exhaust stroke
  • a curve with the reference symbol 48 corresponds to the current stroke of a piston, which delimits the combustion chamber 12, but is not explicitly shown in FIG. 1.
  • the internal combustion engine 10 operates in shifts when idling and at low load. This means that the fuel is injected during the compression stroke B (period 50 in FIG. 2). This "main injection” begins at time t E ⁇ . This point in time and the amount of fuel injected into the combustion chamber 12 during the main injection 50 are determined by the control and regulating device 36 depending on the current operating variables of the internal combustion engine and the desired torque in accordance with the position transmitter 44 of the accelerator pedal 46. In shift operation of the internal combustion engine there is an ignitable mixture only in the area of the spark plug 26 in the combustion chamber 12, whereas in the remaining combustion chamber 12 there is only a very lean mixture.
  • the fuel-air mixture in the combustion chamber 12 is very lean, which means that not all of the oxygen present in the combustion chamber 12 is burned.
  • the ignition 52 of the fuel injected during a main injection 50 takes place by the spark plug 26 at a time t s ⁇ . This point in time, when it relates to the corresponding angular position of the crankshaft, is referred to as the "firing angle".
  • the ignition 52 is optimally carried out in such a way that the energy released during the combustion of the injected fuel is converted as completely as possible into torque.
  • the catalysts used within the catalytic cleaning device 34 must have a certain operating temperature in order to be able to have a desired cleaning performance. If this operating temperature is not available, the exhaust gases are released into the environment, at least in part, unpurified. However, even during normal operation of the internal combustion engine, operating situations can occur in which the exhaust gas temperature is so low that the temperature of the catalytic cleaning device 34 leaves that temperature window which is required for optimal exhaust gas cleaning.
  • an additional quantity of fuel is injected into the combustion chamber 12 by the fuel injection device in the internal combustion engine 10 during the expansion cycle C, that is to say after the ignition 52 at the time t z ⁇ 22 injected.
  • This additional injection begins at time t E2 and is shown in FIG. 2 The reference symbol 54.
  • the time t E2 is chosen such that the combustion of the fuel injected by the main injection 50 is not impaired by the additional injection 54. This is particularly the case if the additional injection 54 does not begin until or after the end of the combustion of the amount of fuel entering the combustion chamber 12 through the main injection 50.
  • an additional ignition 56 takes place at a time t z2. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, this is at the end of the expansion cycle C, which enables a comparatively long homogenization time H in which the amount of fuel introduced by the additional injection 54 can be distributed homogeneously in the combustion chamber 12.
  • the combustion of the fuel introduced by the additional injection 54 produces only a very low torque, if at all.
  • the heat generated during the combustion of the additional fuel can therefore be used almost completely to heat the catalytic cleaning device 34.
  • an ignition 56 ′ is also possible immediately after the end of the additional injection 54 (shown in dashed lines). In extreme cases, ignition is even conceivable shortly before the end of the additional injection.
  • the contribution made thereby to the total torque within a work cycle can be taken into account in the control and regulating device 36, for example by means of a map.
  • the internal combustion engine 10 works in particular at low load and at idle in lean operation.
  • At least part of the residual oxygen contained in the exhaust gas in this operation is deposited within the catalytic cleaning device 34. Due to the additional injection 54, the emaciation of the mixture is reduced, whereby it is sensible for a minimal pollutant mass flow that the total lambda value, which results when taking into account the amount of fuel injected during the main injection 50 and the additional injection 54, does not or not at all significantly less.
  • Cleaning device 34 which react catalytically and exothermically with the oxygen stored there.
  • the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 can therefore be operated in such a way that there is a cyclical change back and forth between a rich and a lean fuel-air mixture.
  • the exothermic reaction thereby provoked in the catalytic cleaning device 34 results in additional heating.
  • the time t E ⁇ of the main injection 50, the time t z ⁇ of the ignition 52, the time t E2 of the additional injection 54 and the time t z2 of the additional ignition 56 are controlled by the control and regulating device 36 in a corresponding processing block 58, above all depending on a temperature t ot of the internal combustion engine, which is detected by means of the temperature sensor 40, a rotational speed nmot, which is detected by means of the rotational speed sensor 38, and a load, which results from a relative air filling rl, which in turn is detected by the HFM sensor 20. Furthermore, an intake manifold pressure pans can also be taken into account, which is determined from the signal of the HFM sensor 20. As a result, said injection and ignition variables can be adapted to the current operating state of internal combustion engine 10.
  • the ignition system 28 In order to be able to generate the ignition spark required to ignite the amount of fuel introduced in the additional injection 54, the ignition system 28 must be adapted in such a way that sufficient energy is available for the additional ignition 56.

Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff direkt in mindestens einen Brennraum eingespritzt (50, 54). Das aus dem Brennraum abströmende Abgas wird durch eine katalytische Reinigungseinrichtung von Schadstoffen gereinigt. Zum Erwärmen der katalytischen Reinigungseinrichtung kann die Abgastemperatur erhöht werden, indem innerhalb eines Arbeitsspiels (A - D) nach der Entflammung (52) einer eingespritzten Kraftstoffmenge (50) eine zusätzliche Kraftstoffmenge (54) eingespritzt und verbrannt wird. Es wird vorgeschlagen, dass die Entflammung der zusätzlichen Kraftstoffmenge (54) durch eine zusätzliche Zündung (56) einer Zündeinrichtung eingeleitet oder unterstützt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff direkt in mindestens einen Brennraum eingespritzt wird, bei dem das aus dem Brennraum abströmende Abgas durch eine katalytische Reinigungseinrichtung von Schadstoffen gereinigt wird, und bei dem zum Erwärmen der katalytisehen
Reinigungseinrichtung die Abgastemperatur erhöht werden kann, indem innerhalb eines Arbeitsspiels nach der Entflammung einer eingespritzten Kraftstoffmenge eine zusätzliche Kraftstoffmenge eingespritzt und verbrannt wird.
Katalytische Einrichtungen werden im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzt, um eine Konvertierung von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine in weniger umweltrelevante Komponenten vorzunehmen. Um die gewünschte Reinigungsleistung erbringen zu können, muss die katalytische Reinigungseinrichtung eine bestimmte Betriebstemperatur aufweisen. Da die katalytische Reinigungseinrichtung insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine für eine gewisse Zeitspanne die für die gewünschte Reinigung erforderliche Temperatur normalerweise noch nicht aufweist, gelangen Schadstoffe des Abgases während dieser Zeitspanne unkonvertiert in die Atmosphäre. Um die Erwärmung der katalytischen Einrichtung auf die normale Betriebstemperatur zur beschleunigen, sind verschiedene Strategien bekannt.
Aus der DE 101 00 682 AI ist beispielsweise eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung bekannt. Bei dieser gelangt der Kraftstoff durch eine am Brennraum angeordnete Kraftstoff-Einspritzvorrichtung direkt in den Brennraum. Bei der bekannten Brennkraftmaschine wird zunächst Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, um durch die Verbrennung dieses Kraftstoffs das gewünschte Drehmoment der Brennkraftmaschine zu erzeugen. Nach der Zündung dieses Kraftstoffs wird eine zusätzliche Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt und von der gerade noch brennenden zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge entflammt. Bei der Verbrennung dieser "nacheingespritzten" Kraftstoffmenge wird vergleichsweise viel Wärme und wenig Drehmoment erzeugt. Die erzeugte Wärme wird zum Aufheizen der katalytischen Reinigungseinrichtung verwendet.
Ein Problem dabei ist der Zeitpunkt, zu dem die Einspritzung der zusätzlichen KraftStoffmenge erfolgt. Findet diese Einspritzung zu früh statt, besteht die Gefahr, dass die noch ablaufende drehmomenterzeugende Verbrennung der zunächst eingespritzten Kraftstoffmenge erstickt wird, was zu erhöhten Emissionen und insbesondere zur Bildung von Ruß führen kann. Erfolgt dagegen die Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmenge zu spät, besteht die Gefahr, dass die drehmomenterzeugende Verbrennung der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge schon beendet ist und daher die zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmenge nicht mehr entflammt wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Erwärmung der katalytischen Reinigungseinrichtung im Bedarfsfall zuverlässig und im Wesentlichen ohne zusätzliche Emissionen durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Entflammung der zusätzlichen Kraftstoffmenge durch eine zusätzliche Zündung einer Zündeinrichtung eingeleitet oder unterstützt wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Entflammung der zusätzlich eingespritzten Kraftstoffmenge vom Brennvorgang der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge vollständig entkoppelt ist. Der Zeitpunkt der Einspritzung und der Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge kann daher so gewählt werden, dass zum einen die Verbrennung der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge unbeeinflusst bleibt, was insbesondere dem Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine zugute kommt, und dass zum anderen eine rasche Erwärmung der katalytischen Einrichtung im Bedarfsfalle zuverlässig und schnell herbeigeführt werden kann.
Letztes ist insbesondere dann möglich, wenn die Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmenge relativ spät erfolgt, da hierdurch der Enthalpiestrom im Abgas deutlich erhöht werden kann. Die entsprechende Wärmeenergie kann sehr effektiv für das Heizen der katalytischen Reinigungseinrichtung nach dem Starten der Brennkraftmaschine, aber auch zum Warmhalten der katalytischen Reinigungseinrichtung im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei bei allen üblichen Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung einsetzbar, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit wandgeführten, luftgeführten oder strahlgeführten Verfahren. Besonders günstig ist dabei die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim strahlgeführten Verfahren, da hier die zusätzliche Zündung dem Ende der Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmenge sehr gut zugeordnet werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in ünteransprüchen angegeben.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge zu Beginn eines Expansionstaktes eingespritzt wird, und dass die zusätzliche Zündung unmittelbar nach dem Ende der Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmenge erfolgt. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand befindet, in dem der Kraftstoff bei der "Haupteinspritzung" relativ früh eingespritzt und verbrannt wird. Um einen möglichst günstigen Brennverlauf bei der nachfolgenden Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge zu erreichen, ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene vergleichsweise frühe Einspritzung und Zündung der zusätzlichen Kraftstoffmenge sinnvoll. Allerdings wird in diesem Fall bei der Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge nicht nur Wärme erzeugt, sondern auch ein gewisser Beitrag zum Drehmoment der Brennkraftmaschine geleistet. Alternativ hierzu ist es möglich, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge zu Beginn eines Expansionstaktes eingespritzt wird und dass die zusätzliche Zündung gegen Ende des Expansionstaktes oder zu Beginn eines Ausstoßtaktes erfolgt. Die bei der Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge frei werdende Energie wird in diesem Falle fast ausschließlich in Wärme umgesetzt, was eine besonders schnelle Erwärmung der katalytischen Reinigungseinrichtung ermöglicht. Ferner wird hierdurch das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine vorteilhaft beeinflusst, da durch die vergleichsweise späte Entflammung der zusätzlichen Kraftstoffmenge sich diese zuvor im Brennkraftmaschine homogen verteilen kann ("erhöhte Homogenisierungszeit") .
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Kraftstoff-Luft- Gemisch, welches durch die bei einem Arbeitsspiel insgesamt eingespritzte Kraftstoffmenge erhalten wird, fett ist. Dabei wird auf jenes Kraftstoff-Luft-Gemisch Bezug genommen, welches sich auf der Basis sämtlicher Kraftstoffeinspritzungen in einen Brennraum innerhalb eines Arbeitsspiels einstellt. Unter einem fetten Kraftstoff- Luft-Gemisch werden Lambda-Werte zwischen 1,0 und 0,6 verstanden. Ein derartiges fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch kann beispielsweise für die Regeneration einer katalytischen Reinigungseinrichtung verwendet werden, welche einen Stickoxid-Speicherkatalysator umfasst. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das insgesamt fette Kraftstoff-Luft-Gemisch nach einer bereits oben erwähnten vergleichsweise langen "Homogenisierungszeit" erzielt wird, da hierdurch lokal extrem fette Bereich innerhalb des Brennraums, die ein schlechtes Emissionsverhalten zur Folge hätten, vermieden werden. In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass zyklisch zwischen einem fetten und einem mageren Kraftstoff-Luft- Gemisch hin und her gewechselt wird. Bei diesem auch als "Lambda-Wobbeln" bezeichneten Verfahren wird die katalytische Einrichtung zusätzlich auf chemische Art und Weise erwärmt, indem der während der mageren Betriebsphasen der Brennkraftmaschine in der katalytischen Einrichtung angesammelte Sauerstoff mit dem während der fetten Betriebsphasen eingebrachten Kohlenwasserstoff katalytisch und exotherm reagiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Entflammung der zusätzlichen KraftStoffmenge durch die zusätzliche Zündung und gegebenenfalls die Entflammung der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge zeitlich so gelegt wird beziehungsweise werden, dass das durch die Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge geleistete Drehmoment gegenüber dem durch die Verbrennung der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge geleisteten Drehmoment klein ist. Unter dem Begriff "klein" wird hier verstanden, dass das durch die Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge erzeugte Drehmoment höchstens 10 %, stärker bevorzugt höchstens 5 %, noch stärker bevorzugt höchstens 1 % des durch die Verbrennung der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge erzeugten Drehmoments beträgt . Wenn es der Betriebszustand der Brennkraftmaschine zulässt, wird die Lage der für die Erzeugung des eigentlichen Drehmoments benötigten Einspritzung und von deren Zündung idealerweise so gelegt, dass man möglichst nahe an dem für den Kraftstoffverbrauch optimalen Zündwinkel liegt . Je weiter man sich mit der "Hauptverbrennung" vom optimalen Zündwinkel entfernt, um so stärker kann der Einfluss der Verbrennung des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffes auf das Drehmoment werden. Für den Fall, dass das bei der Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge erzeugte Drehmoment nicht mehr vernachlässigt werden kann, kann eine einfache Berücksichtigung des Drehmoments mittels eines Kennfelds erfolgen.
Vorgeschlagen wird ferner, dass die Zeitpunkte und Mengen der Einspritzungen und die Zeitpunkte der Zündungen innerhalb eines Arbeitsspiels von einer Temperatur, einer Drehzahl, einer Last und gegebenenfalls einem Saugrohrdruck der Brennkraftmaschine abhängen. Dies gestattet eine solche Steuerung der Brennkraftmaschine, bei welcher günstige Emissionen, eine hohe Laufruhe sowie ein schnelles Erwärmen der katalytischen Einrichtung in optimaler Kombination realisiert werden können.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert ist. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine, auf der ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art abgespeichert ist. Auch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert ist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Schließlich ist die Erfindung auch noch ausgerichtet auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welche eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfasst, die zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert ist.
Zeichnungen Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert . In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff- Direkteinspritzung;
Figur 2 ein Diagramm, in dem ein Kolbenhub, verschiedene Einspritzzeiträume und verschiedene Zündzeitpunkte innerhalb eines Arbeitsspiels eines Brennraums der Brennkraftmaschine von Figur 1 über der Zeit dargestellt sind; und
Figur 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ermittlung der Einspritz- und Zündzeitpunkte von Figur 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 2 trägt eine 4-Takt-Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, welches in Figur 1 jedoch nicht dargestellt ist. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Brennräume, von denen jedoch in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 gezeigt ist. Über ein Einlassventil 14 und ein Ansaugrohr 16 gelangt im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 Verbrennungsluft in den Brennraum 12. Die durch das Ansaugrohr 16 strömende Luftmenge kann über eine Drosselklappe 18 eingestellt werden. Sie wird von einem HFM-Sensor 20 erfasst.
Kraftstoff gelangt in den Brennraum 12 direkt über eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22. Bei der gezeigten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich also um eine solche mit Kraftstoff-Direkteinspritzung. Der Kraftstoff wird der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 durch ein Kraftstoff- Versorgungssystem 24 unter hohem Druck bereitgestellt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 bildet sich im Brennraum 12 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches von einer Zündkerze 26 entflammt werden kann. Bei dem verwendeten Kraftstoff handelt es sich also um Benzin. Die Zündkerze 26 wird von einem Zündsystem 28 angesteuert.
Die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 12 entstehenden Abgase werden aus dem Brennraum 12 über ein Auslassventil 30 und ein Abgasrohr 32 abgeleitet. Im Abgasrohr 32 ist eine katalytische Reinigungseinrichtung 34 angeordnet. Da es sich bei der in Figur 1 gezeigten Brennkraftmaschine 10 um eine solche handelt, welche im Normalfall im Magerbetrieb arbeitet, umfasst die katalytische Reinigungseinrichtung 34 zum Brennraum 12 hin einen nicht gezeigten 3-Wege-Katalysator und stromabwärts von diesem einen ebenfalls nicht gezeigten NOx-Speicherkatalysator . In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Brennkraftmaschine 10 um eine solche, welche im Normalfall mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch (Lambda = 1) betrieben wird. Eine solche Brennkraftmaschine umfasst zum Brennraum hin üblicherweise einen 3-Wege-Katalysator und stromabwärts von diesem einen Unterflur-Katalysator. Werden an die Abgasreinigung nur vergleichsweise geringe Anforderungen gestellt, kann auch nur ein 3-Wege- Katalysator vorgesehen sein.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 36 gesteuert und geregelt. Diese erhält Signale vom HFM-Sensor 20, von einem Drehzahlsensor 38, welcher die Drehzahl einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10 abgreift, von einem Temperatursensor 40 der Brennkraftmaschine 10, der beispielsweise eine Kühlwasser- oder Zylinderköpftemperatur erfasst, von einem Temperatursensor 42, welcher die Temperatur der katalytischen Reinigungseinrichtung 34 erfasst, und von einem Stellungsgeber 44 eines Gaspedals 46, mit dem der Benutzer der Brennkraftmaschine 10 seinen Drehmomentwunsch zum Ausdruck bringt. Von der Steuer- und Regeleinrichtung 36 angesteuert werden unter anderem die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22, das Zündsystem 28 sowie die Drosselklappe 18.
In dem Diagramm in Figur 2 ist der Verlauf eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 10 über der Zeit t gezeigt. Unter einem Arbeitsspiel wird bei der 4-Takt- Brennkraftmaschine 10 der vollständige Ablauf sämtlicher vier Takte in dem betrachteten Brennraum 12 verstanden. Die einzelnen Takte sind in Figur 2 mit A, B, C und D bezeichnet. Dabei bezeichnet A einen Ansaugtakt, B einen Kompressionstakt, C einen Expansionstakt und D einen Ausstoßtakt. Eine Kurve mit dem Bezugszeichen 48 entspricht dem aktuellen Hub eines Kolbens, welcher den Brennraum 12 begrenzt, in Figur 1 jedoch nicht explizit dargestellt ist.
Im Leerlauf und bei niedriger Last arbeitet die Brennkraftmaschine 10 im Schichtbetrieb. Dies bedeutet, dass der Kraftstoff während des Kompressionstaktes B eingespritzt wird (Zeitraum 50 in Figur 2) . Der Beginn dieser "Haupteinspritzung" liegt zum Zeitpunkt tEχ. Dieser Zeitpunkt und die Menge des bei der Haupteinspritzung 50 in den Brennraum 12 eingespritzten Kraftstoffes werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 36 abhängig von den aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und dem gewünschten Drehmoment entsprechend dem Stellungsgeber 44 des Gaspedals 46 ermittelt. Im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine liegt nur im Bereich der Zündkerze 26 im Brennraum 12 ein zündfähiges Gemisch vor, wohingegen im restlichen Brennraum 12 nur ein sehr mageres Gemisch vorliegt. Insgesamt ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 12 sehr mager, was dazu führt, dass nicht der ganze im Brennraum 12 vorhandene Sauerstoff verbrannt wird. Die Zündung 52 des bei einer Haupteinspritzung 50 eingespritzten Kraftstoffes erfolgt durch die Zündkerze 26 zu einem Zeitpunkt tsι. Dieser Zeitpunkt wird, wenn er auf die entsprechende WinkelStellung der Kurbelwelle bezogen ist, als "Zündwinkel" bezeichnet. Die Zündung 52 erfolgt optimalerweise so, dass die bei der Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes frei werdende Energie möglichst vollständig in Drehmoment umgesetzt wird.
Die innerhalb der katalytischen Reinigungseinrichtung 34 eingesetzten Katalysatoren müssen, um eine gewünschte Reinigungsleistung aufweisen zu können, eine bestimmte Betriebstemperatur haben. Liegt diese Betriebstemperatur nicht vor, gelangen die Abgase zumindest zum Teil ungereinigt in die Umwelt. Aber auch im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine können Betriebssituationen auftreten, in denen die Abgastemperatur so niedrig ist, dass die Temperatur der katalytischen Reinigungseinrichtung 34 jenes Temperaturfenster verlässt, welches für eine optimale Abgasreinigung erforderlich ist.
Damit die katalytische Reinigungseinrichtung 34 möglichst immer die für die optimale Abgasreinigung erforderliche Temperatur aufweist, wird bei der Brennkraftmaschine 10 während des Expansionstaktes C, also nach der Zündung 52 zum Zeitpunkt tzι, nochmals eine zusätzliche Kraftstoffmenge in den Brennraum 12 von der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 22 eingespritzt. Diese zusätzliche Einspritzung beginnt zum Zeitpunkt tE2 und trägt in Figur 2 das Bezugszeichen 54. Der Zeitpunkt tE2 wird dabei so gewählt, dass die Verbrennung des durch die Haupteinspritzung 50 eingespritzten Kraftstoffes durch die zusätzliche Einspritzung 54 nicht beeinträchtigt wird. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die zusätzliche Einspritzung 54 erst am oder nach dem Ende der Verbrennung der durch die Haupteinspritzung 50 in den Brennraum 12 gelangenden Kraftstoffmenge beginnt.
Um dennoch eine sichere Entflammung der durch die zusätzliche Einspritzung 54 eingebrachten Kraftstoffmenge zu gewährleisten, erfolgt zu einem Zeitpunkt tz2 eine zusätzliche Zündung 56. Diese liegt bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel am Ende des Expansionstaktes C, was eine vergleichsweise lange Homogenisierungszeit H ermöglicht, in der sich die durch die zusätzliche Einspritzung 54 eingebrachte Kraftstoffmenge homogen im Brennraum 12 verteilen kann.
Durch die sehr späte zusätzliche Zündung 56 wird bei der Verbrennung des durch die zusätzlich Einspritzung 54 eingebrachten Kraftstoffes, wenn überhaupt, nur ein sehr geringes Drehmoment erzeugt. Die bei der Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes erzeugte Wärme kann daher fast vollständig zur Erwärmung der katalytischen Reinigungseinrichtung 34 eingesetzt werden. Möglich ist aber auch eine Zündung 56' unmittelbar nach dem Ende der zusätzlichen Einspritzung 54 (gestrichelt dargestellt) . Im Extremfall ist sogar eine Zündung kurz vor dem Ende der zusätzlichen Einspritzung denkbar. Der hierdurch geleistete Beitrag zum Gesamtdrehmoment innerhalb eines Arbeitsspiels kann in der Steuer- und Regeleinrichtung 36 beispielsweise mittels eines Kennfelds berücksichtigt werden. Wie bereits oben ausgeführt worden ist, arbeitet die Brennkraftmaschine 10 insbesondere bei niedriger Last und im Leerlauf im Magerbetrieb. Zumindest ein Teil des in diesem Betrieb im Abgas enthaltenen Restsauerstoffs wird innerhalb der katalytischen Reinigungseinrichtung 34 abgelagert. Aufgrund der zusätzlichen Einspritzung 54 wird die Abmagerung des Gemisches reduziert, wobei es für einen minimalen Schadstoffmassenstrom sinnvoll ist, dass der Gesamtlambdawert, der sich bei Berücksichtigung der bei der Haupteinspritzung 50 und der zusätzlichen Einspritzung 54 eingespritzten KraftStoffmenge ergibt, einen Wert von 1 nicht beziehungsweise nicht wesentlich unterschreitet.
Wird die Brennkraftmaschine dagegen mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben, gelangen Kohlenwasserstoffe in die katalytische
Reinigungseinrichtung 34, welche katalytisch und exotherm mit dem dort gespeicherten Sauerstoff reagieren. Zum Erwärmen der katalytischen Reinigungseinrichtung 34 kann daher die in Figur 1 gezeigte Brennkraftmaschine 10 so betrieben werden, dass zyklisch zwischen einem fetten und einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch hin und her gewechselt wird. Durch die hierdurch in der katalytischen Reinigungseinrichtung 34 provozierte exotherme Reaktion wird eine zusätzliche Erwärmung erzielt.
Wie aus Figur 3 hervorgeht, werden der Zeitpunkt tEι der Haupteinspritzung 50, der Zeitpunkt tzι der Zündung 52, der Zeitpunkt tE2 der zusätzlichen Einspritzung 54 und der Zeitpunkt tz2 der zusätzlichen Zündung 56 von der Steuer- und Regeleinrichtung 36 in einem entsprechenden Verarbeitungsblock 58 vor allem abhängig von einer Temperatur t ot der Brennkraftmaschine, die mittels des Temperatursensors 40 erfasst wird, einer Drehzahl nmot, welche mittels des Drehzahlsensors 38 erfasst wird, und einer Last, welche sich aus einer relativen Luftfüllung rl ergibt, die wiederum vom HFM-Sensor 20 erfasst wird, bestimmt. Ferner kann gegebenenfalls auch ein Ansaugrohrdruck pans berücksichtigt werden, welcher aus dem Signal des HFM-Sensors 20 bestimmt wird. Hierdurch können die besagten Einspritz- und Zündungsgrößen an den momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 angepasst werden.
Um den zur Entflammung der bei der zusätzlichen Einspritzung 54 eingebrachten Kraftstoffmenge erforderlichen Zündfunken erzeugen zu können, muss das Zündsystem 28 so angepasst werden, dass für die zusätzliche Zündung 56 eine ausreichende Energie vorhanden ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem Kraftstoff direkt in mindestens einen Brennraum
(12) eingespritzt wird (50, 54) , bei dem das aus dem Brennraum (12) abströmende Abgas durch eine katalytische Reinigungseinrichtung (34) von Schadstoffen gereinigt wird, und bei dem zum Erwärmen der katalytischen Reinigungseinrichtung (34) die Abgastemperatur erhöht werden kann, indem innerhalb eines Arbeitsspiels (A-D) nach der Entflammung (52) einer eingespritzten Kraftstoffmenge
(50) eine zusätzliche Kraftstoffmenge (54) eingespritzt und verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entflammung der zusätzlichen KraftStof menge (54) durch eine zusätzliche Zündung (56) einer Zündeinrichtung (26) eingeleitet oder unterstützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge zu Beginn eines Expansionstaktes (C) eingespritzt wird (54) , und dass die zusätzliche Zündung (56) unmittelbar nach dem Ende der Einspritzung (54) der zusätzlichen Kraftstoffmenge erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Kraftstoff enge zu Beginn eines Expansionstaktes (C) eingespritzt wird (54) , und dass die zusätzliche Zündung (56) gegen Ende des Expansionstaktes (C) oder zu Beginn eines Ausstoßtaktes (D) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luftgemisch, welches durch die bei einem Arbeitsspiel (A-D) insgesamt eingespritzte Kraftstoffmenge (50, 54) erhalten wird, zeitweise fett ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zyklisch zwischen einem fetten und einem mageren Kraftstoff-Luftgemisch hin und her gewechselt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entflammung der zusätzlichen Kraftstoffmenge (54) durch die zusätzliche Zündung (56) und ggf. die Entflammung (52) der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge (50) zeitlich so gelegt wird bzw. werden, dass das durch die Verbrennung der zusätzlichen Kraftstoffmenge (54) geleistete Drehmoment gegenüber dem durch die Verbrennung der zuvor eingespritzten Kraftstoffmenge (50) geleisteten Drehmoment klein ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Entflammung (56) der zusätzlichen Kraftstoffmenge (54) geleistete Beitrag zum Gesamtdrehmoment eines Arbeitsspiels (A-D) mittels eines Kennfelds berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte (tEι, tE2) und Mengen der Einspritzungen (50, 54) und die Zeitpunkte (tzi, tz2) der Zündungen (52, 56) innerhalb eines Arbeitsspiels (A-D) von einer Temperatur (tmot) , einer Drehzahl (nmot) , einer Last (rl) , und gegebenenfalls einem Saugrohrdruck (pans) der Brennkraftmaschine (10) abhängen.
9. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
10. Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (36) einer Brennkraftmaschine (10) , dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 abgespeichert ist.
11. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (34) für eine Brennkraftmaschine (10) , dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.
12. Brennkraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (34) umfasst, welche zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.
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