WO2007054263A1 - Verfahren zum kaltlauf-betrieb einer f remdgezundeten brennkraf tmaschine - Google Patents

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WO2007054263A1
WO2007054263A1 PCT/EP2006/010642 EP2006010642W WO2007054263A1 WO 2007054263 A1 WO2007054263 A1 WO 2007054263A1 EP 2006010642 W EP2006010642 W EP 2006010642W WO 2007054263 A1 WO2007054263 A1 WO 2007054263A1
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injection
fuel
cylinder
mixture
stroke
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PCT/EP2006/010642
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English (en)
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Inventor
Matthias Werner
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Daimler Ag
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/06—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/402—Multiple injections
    • F02D41/403—Multiple injections with pilot injections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for cold running operation of a externally ignited, direct injection 4-stroke internal combustion engine.
  • the resulting exhaust gases contain pollutants that do not comply with applicable regulations without post-treatment measures. Under certain operating conditions, the fuel / air mixture in the cylinder is not completely burned.
  • the resulting exhaust gas contains proportions of hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides, for the conversion into more environmentally friendly substances, a catalytic converter in the exhaust system is connected downstream.
  • the Efficiency of the catalytic converter depends on its operating temperature and begins only above a threshold temperature, the so-called light-off temperature.
  • a quiet engine operation is sought despite the cold engine components and on the other hand, a rapid heating of the catalytic converter.
  • the engine is operated after the cold start with a rich mixture of charges in order to ensure a sufficient ignition safety and thus an acceptable smoothness. It is desired a later Zundzeittician whose Spate location is limited by the flammability and thus the quiet engine running.
  • the rich mixture leads to high levels of unburned fuel in the exhaust gas, which can be used to heat the still cold catalytic converter.
  • thermal post-combustion can take place, whose heat of reaction heats the catalytic converter.
  • the disadvantage here is the necessary use of an electrically operated secondary air pump or a secondary air charger and a plurality of electrical and pneumatic switching valves.
  • the function of these components must be diagnosed consuming. Emissions and smoothness are not satisfactory.
  • the invention has for its object to provide a method for cold running operation of a externally Ignited 4-stroke internal combustion engine, in which, in conjunction with a good running smoothness and low emission levels rapid heating of the catalytic converter is achieved.
  • the object is achieved by a first method having the features of claim 1 and by a second method having the features of claim 15.
  • a first method is proposed in which first of all an intake stroke of the internal combustion engine takes place in a suction stroke of fuel as a suction stroke injection.
  • a lean, combustible, but not inflammable fuel / air mixture is produced in the cylinder.
  • the lean fuel / air mixture filling the entire cylinder volume provides a sufficient supply of oxygen molecules for post-oxidation. Due to the low injection quantity into the fresh charge during the intake stroke, the addition of fuel to the cold combustion chamber walls and the cold piston bottom is greatly reduced. The hydrocarbon emissions resulting from such accumulated and unburned fuel quantities are reduced.
  • a second injection of fuel is carried out as a compression stroke injection, in which a combustible and combustible fuel / air mixture is generated in the cylinder.
  • This ensures a fast and safe combustion. Due to the significantly higher cylinder temperatures in the compression stroke, the fuel injected into the compression stroke is processed much better. This leads, despite the rich mixture, that hardly any fuel is attached to the combustion chamber walls and the piston crown. Due to the rich combustion of the post-reaction in the outlet channel a large amount of carbon monoxide and hydrogen is provided, which contain large amounts of chemical energy for heating the catalytic converter.
  • a third injection of fuel in the form of a stratified injection takes place, at least close to an ignition time, in order to produce a fuel / air mixture enriched locally in the area of the spark plug.
  • the comparatively low injection quantity in the form of a defined injection jet guarantees safe ignition at the edge areas of the jet. From there, the flame front spreads rapidly into the rich charge layer around the spark plug created by the compression stroke injection.
  • the second method has, analogously to the first method, a suction stroke injection, a subsequent compression stroke injection and finally a stratified injection, wherein the injector is arranged laterally in a cylinder head of the internal combustion engine and the spark plug is arranged centrally in the cylinder head.
  • the low air ratio prevailing in the region of the spark plug permits a comparatively spade-free position of the ignition point without adversely affecting the ignition tendency.
  • a high exhaust gas temperature can be generated, since the late ignition time results in a late center of gravity position and a late burning end.
  • These boundary conditions in conjunction with the high exhaust gas temperatures and the slight excess of oxygen favor a post-oxidation of carbon monoxide, hydrogen and hydrocarbon in the exhaust system, which takes place as thermal afterburning both in the exhaust duct and Abgaskrummer, and in the downstream catalytic converter.
  • the released heat of reaction causes a further increase in the exhaust gas temperature.
  • the high exhaust gas temperature and the oxidation of carbon monoxide and hydrocarbon in the catalyst itself ensure an accelerated heating of the catalytic converter, which thus achieves its light-off temperature within a few seconds.
  • the suction stroke injection is preferably carried out in such a way that an at least approximately homogeneous fuel / air mixture is established in the cylinder. inevitable Condensation levels of fuel on cold engine parts are reduced while ensuring uniform propagation of the flame front in the subsequent combustion.
  • a preferred air ratio of about 1.6 and for the second method a preferred air ratio between 2 and 3 has been found to be useful for the first method.
  • the compression stroke injection is preferably carried out in such a way that, within the homogeneous fresh charge, a mixture mixture that is fatter in comparison with it is formed, which is embedded in the lean homogeneous fuel / air mixture.
  • the fatter mixture cloud preferably has an air ratio of less than or equal to 1.0, whereby a high Zundwillmaschine and a localized fast combustion is ensured.
  • the global air ratio averaged over the cylinder volume and resulting from all injections is in a range of from about 1.0 to greater than 1.0, more particularly between 1.0 and 1.05 inclusive.
  • sufficient oxygen is present, whereby an additional air supply by means of a secondary air pump or secondary air charger is no longer required.
  • the construction, tax or regulation costs is reduced.
  • Compression stroke injection and / or the stratified injection designed as a multiple injection, in particular as a double or triple injection.
  • the suction stroke injection and / or the compression stroke injection is executed as a multiple injection, in particular as a double or triple injection.
  • the stratified injection comprises at least one single injection having an amount which substantially corresponds to the minimum injection quantity of the injector.
  • suitable injectors for example in piezo construction, the fuel quantities to be injected in each case in the case of the abovementioned three injections are subdivided into partial quantities which, taken by themselves, are introduced into the cylinder within a few milliseconds.
  • the homogenization of the suction stroke injection, the shape and the stratification of the mixture cloud generated by the compression stroke injection, and the ignition conditions of the spark plug in the stratified injection can be adjusted in a defined manner.
  • the time of the intake stroke injection and the compression stroke injection is advantageously coupled to the crank angle of the crankshaft and thus temporally to the respective state of the process cycle, wherein in the first method, the suction stroke injection at a crank angle of about 260 ° before the upper Zundtot Vietnamese, and the Kompressionshubeinspritzung at a crank angle of about 30 ° before the upper Zundtot Vietnamese has been found to be expedient.
  • the second method has for the intake stroke a crank angle of 330 ° to 200 ° before the upper Zundtot Vietnamese and for the
  • the stratified injection of the first method is preferably adapted to the ignition time.
  • the Zundzeittician is changed and with it the timing of the stratified injection. It is ensured that even at different ignition times the coordinated stratified injection ensures reliable ignition of the cylinder filling.
  • a crank angle of 50 ° to 10 ° before the upper Zundtot Vietnamese has been found to be expedient, wherein the Zundzeittician takes place in a crank angle of 0 ° to 40 ° after the upper Zundtot Vietnamese.
  • the injection end of the stratified injection expediently lies in the region of the ignition time point and preferably between 0 ° and 10 ° crank angle before the ignition time point.
  • the injection quantities of the compression stroke injection and / or the stratified injection are controlled or regulated by means of a control unit, depending on the operating temperature of the catalytic converter that has been reached. Likewise, a control or regulation of the respective times may be appropriate. With increasing temperature of the catalytic converter and its onset of action, the exhaust gas values can be minimized and the overall efficiency of the internal combustion engine can be improved. In each case an exemplary embodiment of the first and second inventive method are explained in more detail below with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine in the region of an indicated cylinder with an injector, a spark plug, a control unit and an exhaust gas catalyst, wherein the cylinder is filled according to a first inventive method in different areas differently with a fuel / air mixture,
  • FIG. 2 shows a diagrammatic representation of the injections provided in accordance with the invention in accordance with FIG. 1 at different crank angles
  • FIG. 3 is a schematic view of an internal combustion engine in the region of an indicated cylinder with a laterally arranged in a cylinder head injector, a centrally located in the cylinder head spark plug, a control unit and a catalytic converter, the cylinder according to a second inventive method in different areas differently with a fuel / Air mixture is filled and
  • FIG. 4 shows a diagram of the injections provided in accordance with the invention in accordance with FIG. 3 at different crank angles.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fragmented, externally-split, direct injection 4-stroke internal combustion engine in the region of a cylinder 4.
  • the first method according to the invention is shown using the example of the cylinder 4 shown here.
  • the internal combustion engine can Have one or more cylinders 4, each with a cyclically up and down moving piston 17.
  • the cylinder 4 is closed in its longitudinal direction on the opposite side of the piston 17 by a cylinder head 19, wherein the interior of which is limited in the opposite direction by the piston 17. Due to the up and down movement of the piston 17 and coupled thereto control times of intake and exhaust valves, not shown, a total of four in a cyclical sequence lined up, in connection with Fig. 2 described in detail process cycles of the internal combustion engine specified.
  • an injector 3 For injecting fuel 2 into the cylinder 4, an injector 3 is provided, which is actuated by means of a schematically indicated control unit 16.
  • the fuel 2 injected into the cylinder 4 together with fresh air volume drawn in an intake stroke 6 (FIG. 2) forms a fuel / air mixture which is ignited at a suitable time by a spark plug 5 arranged in the cylinder head 19.
  • the ignition is also controlled by the spark plug 5 by means of the control unit 16.
  • the ignition causes ignition and combustion of the in-cylinder 4 fuel / air mixture.
  • the resulting exhaust gas is led out by means of one or more exhaust valves, not shown, through an exhaust passage 18 from the cylinder 4 and passed through for treatment by an exhaust gas catalyst 1.
  • the catalytic converter 1 may be of any suitable design and is in the illustrated embodiment, a three-way end wall catalyst.
  • a total of three injections of fuel 2 are made by means of the injector 3, which are described in more detail in connection with FIG.
  • FIG. 2 shows a diagrammatic representation of various individual sequences of the first method according to the invention as a function of a crank angle ⁇ of a crankshaft, not shown, which predetermines the axial position of the piston 17 in the cylinder 4 (FIG.
  • a crank angle ⁇ of 0 ° provides an upper Zundtotddling ZOT, in which the cylinder interior contains a fuel / air mixture in which the intake and exhaust valves, not shown, are closed, and in which the piston 17 shown in FIG axial position following the cylinder head 19 has compressed the fuel / air mixture located in the cylinder 4.
  • the spark plug 5 Fig. 1
  • a first cycle of the 4-stroke process is an intake stroke 6 which extends over a crank angle range ⁇ of 360 ° to 180 ° before the upper ignition dead center ZOT. This is followed by a compression stroke 7, which extends over a crank angle range ⁇ of 180 ° to 0 ° before the upper dead center ZOT. Subsequently, a power stroke 8 from the upper Zundtot Vietnamese ZOT with a crank angle ⁇ from 0 ° to 180 °, to which an exhaust stroke 22 from 180 ° to 360 ° crank angle ⁇ to the upper Zundtotddling ZOT connects. The end of the exhaust stroke 22 at a crank angle ⁇ of 360 ° after the upper Zundtot Vietnamese ZOT corresponds to the beginning of a subsequent intake stroke 6 at a crank angle ⁇ of 360 ° before the upper Zundtotddling ZOT.
  • the inlet valves perform a valve lift h in accordance with a curve 20, which largely extends over the intake stroke 6 and partially extends into the compression stroke 7.
  • a valve lift h large 0 of the intake valves fresh air, possibly assisted by a supercharger, is sucked into the interior of the cylinder 4 (FIG. 1).
  • a valve lift h of the exhaust valves not shown, is represented by a curve 21.
  • the exhaust valves are opened substantially via the exhaust stroke 22, wherein the opening of the exhaust valves already begins towards the end of the power stroke 8.
  • exhaust valves are open, the resulting exhaust gas is passed through the indicated in Fig. 1 exhaust passage 18 and the downstream catalytic converter 1.
  • the suction stroke injection 9 is designed such that in the cylinder 4, an at least approximately homogeneous lean mixture 13 is generated with an air ratio ⁇ l of about 1.6.
  • the intake stroke injection 9 takes place at a crank angle ⁇ of about 260 ° before the upper dead center ZOT.
  • the suction stroke injection 9 can be a single injection taking place over a longer period of time.
  • the suction stroke injection 9 can also be performed as a multiple injection, in particular as a double or triple injection with short Einzeleinsp ⁇ tzonne in the time range of a few milliseconds.
  • a second injection of fuel 2 is carried out as Kompressionshubeinspritzung 10.
  • the compression stroke injection 10 is in the illustrated embodiment at a crank angle ⁇ of about 30 ° before the upper Zundtot Vietnamese and is designed as a time-dispersed single injection. Similar to the suction stroke injection 9 can also be made a multiple injection.
  • the Kompressionshub pain 10 is executed in the embodiment shown by means of acting on the injector 3 control unit 16 such that forms within the lean mixture 13 in comparison to the lean mixture 13 fatter mixture cloud 14.
  • the mixture cloud 14 is in the lean mixture 13 of
  • Suction injection 9 embedded and has a combustible and zündfahiges fuel / air mixture with an air ratio ⁇ 2 of less than 1.0.
  • the spatially limited mixture cloud 14 which does not fill the interior of the cylinder 4 preferably does not extend to cold wall components of the internal combustion engine, such as the cylinder 4, the piston 17 or the cylinder head 19, but extends to the spark area of the spark plug 5.
  • Compression stroke injection 10 is still a third injection of fuel 2 in the form of a Layer injection 11, which is formed in its beam shape such that it is introduced into the mixture cloud 14 and thereby passes directly past the spark region of the spark plug 5. Also, the stratified injection 11 may be performed in accordance with the intake stroke injection 9 or the compression stroke injection 10 as a single or multiple injection.
  • the time of the stratified injection 11 is not coupled to the crank angle ⁇ but to the time position of the ignition time point 12.
  • the Zundzeittician 12 may be in the compression stroke 7 before the upper Zundtot Vietnamese ZOT or after in the power stroke 8.
  • the ignition time 12 lies after the upper ignition dead center ZOT and in particular in one
  • Crank angle range ⁇ from 0 ° to 35 °, preferably from 15 ° to 30 ° after the upper Zundtot Vietnamese ZOT.
  • the ignition time point 12 is shown here at a crank angle ⁇ of approximately 20 °.
  • ⁇ of approximately 20 °.
  • the layer injection 11 is close to the time shortly before the ignition time 12, wherein an injection end 15 of the stratified injection 11 is shown lying here by way of example in Zundzeittician 12.
  • the injection end 15 is suitably in a range of 0 ° to 10 ° of the crank angle ⁇ before Zundzeittician 12.
  • the succession, lying after the upper Zundtot Vietnamese ZOT ignition 12 takes place at sinking, represented by a curve 23 cylinder pressure p.
  • the stratified injection 11 generates a locally enriched in the area of the spark plug 5 fuel / air mixture, which can be easily and reliably ignited in the immediate time neighborhood despite the relatively late Zundzeitfounds 12.
  • the only very small fuel quantity of the stratified injection 11 in comparison to the intake stroke injection 9 and the compression stroke injection 10 serves merely for reliable ignition and otherwise contributes to the rich air ratio ⁇ 2 ⁇ 1.0 in the mixture cloud 14.
  • All injections 9, 10, 11 are matched in their respective amount of fuel 2 to one another such that locally in the lean mixture 13 of the suction stroke injection 9 a lean mixture and in the mixture cloud 14 a rich mixture is formed.
  • the global air ratio ⁇ is in a range between 1.0 and 1.05 inclusive.
  • the layer injection 11 ensures reliable ignition of the mixture cloud 14 even at very late ignition time 12 and in cold components of the internal combustion engine, while the homogeneous lean mixture 13 avoids excessive attachment of fuel 2 to cold engine components.
  • the total amount of fuel / air mixture in the cylinder 4 when opening the exhaust valves corresponding to the curve 21, in particular in the region of the lean mixture 13 is not completely burned. Unburned portions are passed through the exhaust passage 18 and the exhaust catalyst 1.
  • the approximately stoichiometric or slightly lean global air ratio ⁇ permits, without further measures, a thermal afterburning in the region of the exhaust gas duct 18 located between the cylinder head 19 and the exhaust gas catalytic converter 1 also in the catalytic converter 1 itself, whereby it is heated very quickly from the cold state to the so-called light-off temperature, in which the catalytic converter can develop its catalytic conversion effect.
  • the injection quantities of the compression stroke injection 10 and / or the stratified injection 11 are controlled or regulated by means of the control unit 16.
  • the control unit 16 there is also a control or regulation of the times of Kompressionshubeinspritzung 10 and / or Zundzeitness 12 and coupled to the Zundzeittician 12 stratified injection 11 by means of the control unit 16.
  • the aforementioned control or regulation can also be the sequence of multiple injections to form the individual Injections 9, 10, 11 relate.
  • the compression stroke injection 10 continuously overflows from a crank angle ⁇ of approximately 30 ° before the upper ignition dead center ZOT into an earlier time up to a crank angle ⁇ of approximately 210 ° to 230 ° before the upper ignition dead center ZOT.
  • the initially late ignition point 12 and the stratified injection 11 coupled thereto are moved to an earlier time, in particular before the upper ignition dead center ZOT.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a fragmented, externally-split, direct injection 4-stroke internal combustion engine in the region of the cylinder 4.
  • the second method according to the invention is shown using the example of the cylinder 4 shown here.
  • the same or equivalent components or method steps are identified by the same reference numerals of the first inventive method according to Figures 1 and 2.
  • a spark plug 24 is arranged centrally in the cylinder head 25 and an injector 26 is arranged laterally in the cylinder head 25.
  • the internal combustion engine may have one or more cylinders 4 each having a piston 17 cyclically moved up and down therein.
  • the cylinder 4 is closed in its longitudinal direction on the opposite side of the piston 17 by the cylinder head 25, wherein the interior is limited in the opposite direction by the piston 17. Due to the up and down movement of the piston 17 and coupled thereto control times of intake and exhaust valves, not shown, a total of four in a cyclic sequence juxtaposed, in connection with Fig. 4 described in more detail process cycles of the internal combustion engine specified.
  • the injector 26 is actuated by means of the schematically indicated control unit 16.
  • the injector 26 arranged laterally in the cylinder head 25 is arranged close to the inlet valve or between the inlet valves.
  • the fuel 2 injected into the cylinder 4, together with the volume of fresh air sucked in the intake stroke 6 (FIG. 4), forms a fuel / air mixture which becomes a suitable fuel Time is ignited by the centrally arranged in the cylinder head 25 spark plug 24.
  • the ignition is also controlled by the spark plug 24 by means of the control unit 16.
  • the ignition causes ignition and combustion of the in-cylinder 4 fuel / air mixture.
  • the resulting exhaust gas is led out by means of the exhaust valves through the exhaust passage 18 from the cylinder 4 and passed through for the aftertreatment by the catalytic converter 1.
  • the catalytic converter 1 may be of any suitable design and is in the illustrated embodiment, a three-way end wall catalyst.
  • a crank angle ⁇ of 0 ° is an upper Zundtotddling ZOT, in which the cylinder interior contains a fuel / air mixture in which the intake and exhaust valves, not shown, are closed, and in which the piston 17 shown in FIG Cylinder head 25 subsequent axial position in the cylinder 4 compressed fuel / air mixture has compressed.
  • ignition of the fuel / air mixture by means of the spark plug 24 (Fig. 3) is made.
  • a first cycle of the 4-stroke process is the intake stroke 6, which extends over a crank angle range ⁇ of 360 ° to 180 ° before the upper ignition dead center ZOT. This is followed by the compression stroke 7, which extends over a crank angle range ⁇ of 180 ° to 0 ° before the upper Zundtot Vietnamese ZOT. Subsequently, the power stroke 8 proceeds from the upper dead center ZOT with a crank angle ⁇ of 0 ° to 180 °, followed by the exhaust stroke 22 from 180 ° to 360 ° crank angle ⁇ after the upper dead center ZOT. The end of the exhaust stroke 22 at a crank angle ⁇ of 360 ° after the upper Zundtot Vietnamese ZOT corresponds to the beginning of a subsequent intake stroke 6 at a crank angle ⁇ of 360 ° before the upper Zundtotddling ZOT.
  • the inlet valves perform a valve lift h according to the curve 20, which extends largely over the intake stroke 6 and still extends partially into the compression stroke 7.
  • a valve lift h large 0 of the intake valves fresh air, possibly assisted by a supercharger, is sucked into the interior of the cylinder 4 (FIG. 3).
  • a valve lift h of the exhaust valves not shown, is represented by the curve 21.
  • the exhaust valves are opened substantially via the exhaust stroke 22, wherein the opening of the exhaust valves already begins towards the end of the power stroke 8.
  • the exhaust gas is through 3 indicated in the exhaust duct 18 and the downstream catalytic converter 1 passed.
  • the suction stroke injection 27 is designed such that in the cylinder 4, an at least approximately homogeneous lean mixture 28 is generated with an air ratio ⁇ 3 of 2 to 3.
  • the intake stroke injection 27 takes place at a crank angle ⁇ of 330 ° to 200 ° before the upper Zundtotddling ZOT.
  • the intake stroke injection 27 is shown at a crank angle ⁇ of approximately 270 °.
  • the suction stroke injection 27 may be a single injection taking place over a longer period of time.
  • the suction stroke injection 27 can also be executed as a multiple injection, in particular as a double or triple injection with short individual injections in the time range of a few milliseconds.
  • a second injection of fuel 2 is carried out as a compression stroke injection 29, which occurs at a crank angle ⁇ of 330 ° to 200 ° before the upper ignition dead center ZOT.
  • the compression stroke injection 29 is in the illustrated embodiment at a crank angle ⁇ of about 95 ° before the upper Zundtot Vietnamese and is designed as a time-dispersed single injection. Similar to the suction stroke injection 27, a multiple injection can also be undertaken.
  • the compression stroke injection 29 is carried out by means of the control device 16 acting on the injector 26 such that within the lean mixture 28 a mixture of clouds 50 that is more rich than the lean mixture 28 is formed.
  • the mixture cloud 30 is in the lean mixture 28 of the
  • Suction injection 27 embedded and has a combustible and zündfahiges fuel / air mixture with an air ratio ⁇ 4 of less than 1.0.
  • the spatially limited, the interior of the cylinder 4 not filling mixture cloud 30 preferably does not reach up to cold wall components of the internal combustion engine, such as the cylinder 4, the piston 17 or the cylinder head 25 zoom, but extends to the spark area of the spark plug 24.
  • the early compression stroke injection 29 m of the first half of the compression stroke 7 a wetting of the piston 17 with fuel avoided.
  • Compression stroke injection 30 is still a third injection of fuel 2 in the form of a layer injection 31, which is formed in its beam shape such that it is introduced into the mixture cloud 30 and thereby guided directly to the spark region of the spark plug 24.
  • the stratified injection 31 is at a crank angle ⁇ of 50 ° to 10 ° before the upper dead center.
  • the stratified injection 31 comprises at least one individual injection, which has an amount which essentially corresponds to the minimum injection quantity of the injector 26.
  • the stratified injection 31 may be divided into a plurality of injections, the respective quantity of which is substantially equal. By dividing the layer injection 31 into several injections, the individual injections of the minimum injection quantity of Injector 26 approximated.
  • the penetration depth of the sprayed fuel is limited by the small amount of fuel of the respective injections, so that the fuel is guided only in the spark area of the spark plug 24, whereby wetting of the wall components of the internal combustion engine can be avoided and in the spark area of the spark plug 24 is a fat, zundfahiges Mixture arises.
  • the stratified injection 31 is divided into two successive injections.
  • an ignition point 32 may lie after the upper Zundtot Vietnamese ZOT in the power stroke 8 in a crank angle range of 0 ° to 40 °.
  • the ignition point 32 is shown here at a crank angle ⁇ of approximately 30 °.
  • the mandate ignition 12 which lies after the upper ignition dead center ZOT, takes place when the cylinder pressure p is decreasing, represented by a curve 23.
  • the stratified injection 31 generates a locally enriched in the region of the spark plug 5 fuel / air mixture, which can be easily and reliably ignited in the immediate vicinity of time despite the relatively late Zundzeitfounds 32. Compared to the suction stroke 27, with a share of 30% to 60% of a total injection amount of all injections 27, 29, 31, and
  • Compression stroke injection 29 with a proportion of 20% to 50% of a total injection amount of all injections 27, 29, 31, only very small fuel amount of the stratified injection 31 in a proportion of 10% to 20%
  • Total injection amount of all injections 27, 29, 31, serves here only a safe ignition and otherwise contributes to the rich air ratio ⁇ 4 ⁇ 1.0 in the mixture cloud 30 at.
  • All injections 27, 29, 31 are matched in their respective amount of fuel 2 to one another such that locally in the lean mixture 28 of the suction stroke injection 27 a lean mixture and in the mixture cloud 30 a rich mixture is formed.
  • the global air ratio ⁇ is in a range between 1.0 and 1.05 inclusive.
  • the layer injection 31 ensures reliable ignition of the mixture cloud 30 even at very late ignition time 32 and in cold components of the internal combustion engine, while the homogeneous lean mixture 28 avoids excessive attachment of fuel 2 to cold engine components.
  • the total amount of fuel / air mixture in the cylinder 4 when opening the exhaust valves corresponding to the curve 21, in particular in the region of the lean mixture 28 is not completely burned. Unburned portions are passed through the exhaust passage 18 and the exhaust catalyst 1.
  • the approximately stoichiometric or slightly lean global air ratio ⁇ allows without further measures a thermal afterburning in lying between the cylinder head 25 and the catalytic converter 1 region of the exhaust passage 18 and also in the exhaust catalyst 1 itself, causing it very quickly from the cold state to the so-called light-off - Is heated temperature in which the catalytic converter can develop its catalytic conversion effect.
  • the injection quantities of the suction stroke injection 27 and / or by means of the control unit 16 Compression stroke injection 29 and / or the layer injection 31 controlled or regulated.
  • the aforementioned control or regulation may also relate to the sequence of multiple injections to form the individual injections 27, 29, 31.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt- Brennkraftmaschine mit einem Abgaskatalysator (1), bei dem Kraftstoff (2) mittels eines Injektors (3) in einen Zylinder (4) der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze (5) fremdgezündet wird. Zur beschleunigten Aufheizung des kalten Abgaskatalysators (1) erfolgt in einem Ansaugtakt (6) eine Saughubeinspritzung (9), bei der im Zylinder (4) ein mageres, brennfähiges, aber nicht zündfähiges Magergemisch (13) erzeugt wird. In einem an den Ansaugtakt (6) anschließenden Kompressionstakt (7) wird eine Kompressionshubeinspritzung (10) durchgeführt, bei der im Zylinder ein brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft- Gemisch erzeugt wird. Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (12) eine Schichteinspritzung (11) zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (5) angefetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches.

Description

Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezundeten
Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezundeten, direkteinspritzenden 4-Takt- Brennkraftmaschine .
In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen werden verbreitet fremdgezundete 4-Takt-Brennkraftmaschinen eingesetzt, die auch als Ottomotor bezeichnet werden. Derartige Brennkraftmaschinen werden zunehmend mit einem Injektor versehen, mxttels dessen eine Direktexnspritzung von Kraftstoff in den Zylinder der Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Mit in den Zylinder angesaugter Frischluft entsteht ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches zu einem vorgegebenen Zundzeitpunkt mittels einer Zündkerze zur Initiierung einer Verbrennung gezündet wird.
Die entstehenden Abgase enthalten Schadstoffe, die ohne nachbehandelnde Maßnahmen einschlagige Vorschriften nicht erfüllen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wird das im Zylinder befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht vollständig verbrannt. Das entstehende Abgas enthalt Anteile von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden, für deren Konversion in umweltvertraglichere Stoffe ein Abgaskatalysator in der Abgasanlage nachgeschaltet ist. Die Wirksamkeit des Abgaskatalysators hangt von dessen Betriebstemperatur ab und setzt erst oberhalb einer Grenztemperatur, der sogenannten Light-Off-Temperatur ein.
Beim Kaltstart und im nachfolgenden Kaltlauf-Betrieb ist im kalten Zylinder bzw. Brennraum der Brennkraftmaschine eine nur schlechte Gemischaufbereitung erzielbar. Der ebenfalls noch kalte bzw. nicht hinreichend erwärmte Abgaskatalysator kann die entstehenden hohen Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen nicht oder nur unzureichend konvertieren .
Beim Kaltstart und im nachfolgenden Kaltlauf-Betrieb wird einerseits ein ruhiger Motorlauf trotz der kalten Motorkomponenten und andererseits eine schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators angestrebt. In herkömmlichen Betriebsverfahren wird hierzu der Motor nach dem Kaltstart mit fettem Ladungsgemisch betrieben, um eine ausreichende Entflammungssicherheit und somit eine akzeptable Laufruhe zu gewahrleisten. Es wird ein spater Zundzeitpunkt angestrebt, dessen spate Lage jedoch durch die Entflammbarkeit und damit den ruhigen Motorlauf begrenzt ist. Das fette Gemisch fuhrt zu hohen Anteilen an unverbranntem Kraftstoff im Abgas, welches zur Aufheizung des noch kalten Abgaskatalysators genutzt werden kann. In Verbindung mit einer Sekundarlufteinblasung kann eine thermische Nachverbrennung erfolgen, deren Reaktionswarme den Abgaskatalysator aufheizt. Nachteilig sind hier der notwendige Einsatz einer elektrisch betriebenen Sekundarluftpumpe oder eines Sekundarluftladers sowie mehrerer elektrischer und pneumatischer Schaltventile . Die Funktion dieser Bauteile muss aufwendig diagnostiziert werden. Emissionswerte und Laufruhe sind nicht befriedigend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezundeten 4-Takt- Brennkraftmaschine anzugeben, bei denen in Verbindung mit einer guten Laufruhe und niedrigen Emissionswerten eine schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch ein erstes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein zweites Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelost.
Es wird ein erstes Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst in einem Ansaugtakt der Brennkraftmaschine eine erste Einspritzung von Kraftstoff als Saughubeinspritzung erfolgt. Hier wird im Zylinder ein mageres, brennfahiges , aber nicht zundfahiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt. Das das gesamte Zylindervolumen ausfüllende magere Kraftstoff/Luft-Gemisch stellt ein ausreichendes Angebot an Sauerstoffmolekulen für die Nachoxidation zur Verfugung. Durch die geringe Einspritzmenge in die wahrend des Ansaugtaktes kalte Frischladung wird die Anlagerung von Kraftstoff an die kalten Brennraumwande und den kalten Kolbenboden stark verringert. Die aus solchen angelagerten und unverbrannten Kraftstoffmengen resultierenden Kohlenwasserstoffemissionen werden verringert.
In einem an den Ansaugtakt anschließenden Kompressionstakt wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff als Kompressionshubeinspritzung durchgeführt, bei der im Zylinder ein brennfahiges und zundfahiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird. Dies gewahrleistet eine schnelle und sichere Verbrennung. Durch die im Kompressionstakt deutlich höheren Zylindertemperaturen wird der in den Kompressionstakt eingespritzte Kraftstoff deutlich besser aufbereitet. Dies fuhrt trotz des fetten Gemisches dazu, dass kaum Kraftstoff an den Brennraumwänden und dem Kolbenboden angelagert wird. Durch die fette Verbrennung wird der Nachreaktion im Auslasskanal eine große Menge Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff zur Verfügung gestellt, die zur Aufheizung des Abgaskatalysators große Mengen chemischer Energie enthalten.
Anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt eine dritte Einspritzung von Kraftstoff in Form einer Schichteinspritzung zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze angefetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches . Die hier vergleichsweise geringe Einspritzmenge in Form eines definierten Einspritzstrahls garantiert die sichere Entflammung an den Randbereichen des Strahles. Von dort aus breitet sich die Flammenfront rasch in die fette Ladungsschicht im Bereich um die Zündkerze herum aus, die von der Kompressionshubeinspritzung erzeugt wurde.
Das zweite Verfahren weist analog dem ersten Verfahren eine Saughubeinspritzung, ein darauf folgende Kompressionshubeinspritzung und schließlich eine Schichteinspritzung auf, wobei der Injektor seitlich in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist und die Zündkerze zentral im Zylinderkopf angeordnet ist.
Da die Verbrennungsgeschwindigkeit mit sinkendem Luftverhältnis steigt, ist die schnelle Verbrennung des fetten Gemisches der aus der zweiten und dritten Einspritzung gebildeten geschichteten Ladung bis zum Öffnen des Auslassventils abgeschlossen. Die Flammenfront der Verbrennung setzt sich im weiteren Verlauf des Arbeitstaktes in diejenigen Bereiche des Brennraums fort, in denen das magere Gemisch der Saughubeinspritzung vorliegt. Die Brenngeschwindigkeit reduziert sich wegen des hier vorliegenden hohen Luftverhältnisses deutlich und ist deshalb beim Offnen des Auslassventils noch nicht abgeschlossen. Dadurch werden im Auslasskanal und vor dem nachgeschalteten Abgaskatalysator sehr hohe Abgastemperaturen erreicht.
Durch die Verbrennung des fetten Gemisches der Schichteinspritzungen entsteht eine große Menge Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die in der Ausschiebephase zusammen mit teilweise noch unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus den Magerbereichen durch den vorherrschenden Sauerstoffuberschuss nachoxidiert werden.
Das im Bereich der Zündkerze vorherrschende geringe Luftverhaltnis erlaubt ohne Beeinträchtigung der Zundwilligkeit eine vergleichsweise spate Lage des Zundzeitpunktes . Hierdurch kann eine hohe Abgastemperatur erzeugt werden, da der spate Zundzeitpunkt eine spate Schwerpunktlage der Verbrennung sowie ein spates Brennende zur Folge hat. Diese Randbedingungen begünstigen in Verbindung mit den hohen Abgastemperaturen und dem leichten Sauerstoffuberschuss eine Nachoxidation von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff im Abgassystem, die als thermische Nachverbrennung sowohl im Auslasskanal und Abgaskrummer, als auch im nachgeschalteten Abgaskatalysator stattfindet. Die dabei frei werdende Reaktionswarme bewirkt einen weiteren Anstieg der Abgastemperatur. Die hohe Abgastemperatur sowie die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff im Katalysator selbst sorgen für ein beschleunigtes Aufheizen des Abgaskatalysators, der dadurch schon nach wenigen Sekunden seine Light-Off-Temperatur erreicht .
Die Saughubeinspritzung wird bevorzugt derart ausgeführt, dass sich im Zylinder ein zumindest naherungsweise homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch einstellt. Unvermeidliche Kondensationsmengen von Kraftstoff an kalten Motorteilen werden verringert, wahrend eine gleichmäßige Ausbreitung der Flammfront in der nachfolgenden Verbrennung sichergestellt ist. Hierbei hat sich für das erste Verfahren ein bevorzugtes Luftverhaltnis von etwa 1,6 und für das zweite Verfahren ein bevorzugtes Luftverhaltnis zwischen 2 und 3 als zweckmäßig herausgestellt.
Die Kompressionshubeinspritzung wird bevorzugt derart ausgeführt, dass sich innerhalb der homogenen Frischladung eine im Vergleich dazu fettere Gemischwolke ausbildet, die in das magere homogene Kraftstoff/Luft-Gemisch eingebettet ist. Die fettere Gemischwolke weist bevorzugt ein Luftverhaltnis von kleiner als oder gleich 1,0 auf, wodurch eine hohe Zundwilligkeit und eine lokal begrenzte schnelle Verbrennung sichergestellt ist.
Vorteilhaft liegt das über das Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen entstehende globale Luftverhaltnis in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis großer als 1,0 und betragt insbesondere zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05. Zur Aufheizung des nachgeschalteten Abgaskatalysators und die dafür vorgesehene thermische Nachverbrennung im Abgasstrang ist hinreichend Sauerstoff vorhanden, wodurch eine zusatzliche Luftzufuhr mittels Sekundarluftpumpe oder Sekundarluftlader nicht mehr erforderlich ist. Der Bau-, Steuer- bzw. Regelaufwand ist vermindert .
In einer zweckmäßigen Weiterbildung des ersten Verfahrens wird die Saughubeinspritzung und/oder die
Kompressionshubeinspritzung und/oder die Schichteinspritzung als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt. In einer zweckmäßigen Weiterbildung des zweiten Verfahrens wird die Saughubeinspritzung und/oder die Kompressionshubeinspritzung als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt. Die Schichteinspritzung umfasst mindestens eine Einzeleinspritzung, die eine Menge aufweist, welche im Wesentlichen der minimalen Einspritzmenge des Injektors entspricht. Mittels geeigneter Injektoren beispielsweise in Piezobauweise werden die bei den vorgenannten drei Einspritzungen jeweils einzuspritzenden Kraftstoffmengen in Teilmengen aufgeteilt, die für sich genommen innerhalb weniger Millisekunden in den Zylinder eingebracht werden. Die Homogenisierung der Saughubeinspritzung, die Form und die Schichtung der durch die Kompressionshubeinspritzung erzeugten Gemischwolke und die Zundungsbedingungen an der Zündkerze bei der Schichteinspritzung können definiert angepasst werden.
Der Zeitpunkt der Saughubeinspritzung und der Kompressionshubeinspritzung ist vorteilhaft an den Kurbelwinkel der Kurbelwelle und damit zeitlich an den jeweiligen Stand des Verfahrenstaktes gekoppelt, wobei sich beim ersten Verfahren die Saughubeinspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 260° vor dem oberen Zundtotpunkt, und die Kompressionshubeinspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 30° vor dem oberen Zundtotpunkt als zweckmäßig herausgestellt hat. Beim zweiten Verfahren hat sich für die Saughubeinspritzung ein Kurbelwinkel von 330° bis 200° vor dem oberen Zundtotpunkt und für die
Kompressionshubeinspritzung ein Kurbelwinkel von 150° bis 90° vor dem oberen Zundtotpunkt als zweckmäßig herausgestellt.
Die Schichteinspritzung des ersten Verfahrens wird demgegenüber bevorzugt an den Zundzeitpunkt angepasst. Bei unterschiedlichen Last- und insbesondere Drehzahlverhaltnissen wird der Zundzeitpunkt verändert und mit ihm auch der Zeitpunkt der Schichteinspritzung. Es wird sichergestellt, dass auch bei unterschiedlichen Zundzeitpunkten die darauf abgestimmte Schichteinspritzung eine zuverlässige Entflammung der Zylinderfullung sicherstellt. Für die Schichteinspritzung des zweiten Verfahrens hat sich ein Kurbelwinkel von 50° bis 10° vor dem oberen Zundtotpunkt als zweckmäßig herausgestellt, wobei der Zundzeitpunkt in einem Kurbelwinkel von 0° bis 40° nach dem oberen Zundtotpunkt erfolgt.
Zur Erzeugung der oben beschriebenen Randbedingungen des ersten Verfahrens einer schnellen Katalysatoraufheizung liegt der Zundzeitpunkt zweckmäßig nach dem oberen Zundtotpunkt und insbesondere in einem Kurbelwinkeibereich von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zundtotpunkt. Das Einspritzende der Schichteinspritzung liegt zweckmäßig im Bereich des Zundzeitpunktes und bevorzugt zwischen einschließlich 0° und 10° Kurbelwinkel vor dem Zundzeitpunkt. Bei zuverlässiger Entflammung ist eine schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators erreichbar.
In bevorzugter Weiterbildung werden mittels eines Steuergerätes abhangig von der erreichten Betriebstemperatur des Abgaskatalysators die Einspritzmengen der Kompressionshubeinspritzung und/oder der Schichteinspritzung gesteuert bzw. geregelt. Ebenso kann eine Steuerung bzw. Regelung der jeweiligen Zeitpunkte zweckmäßig sein. Mit steigender Temperatur des Abgaskatalysators und dessen einsetzender Wirkung können die Abgaswerte minimiert und der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert werden. Jeweils ein Ausfuhrungsbeispiel des ersten und des zweiten erfindungsgemaßen Verfahrens sind im Folgenden anhand der Zeichnungen naher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Brennkraftmaschine im Bereich eines angedeuteten Zylinders mit einem Injektor, einer Zündkerze, einem Steuergerat und einem Abgaskatalysator, wobei der Zylinder nach einem ersten erfindungsgemaßen Verfahren in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt ist,
Fig. 2 eine Diagrammdarstellung der in erfmdungsgemaßer Weise gemäß Fig. 1 bei verschiedenen Kurbelwinkeln vorgesehenen Einspritzungen,
Fig. 3 eine Schemadarstellung einer Brennkraftmaschine im Bereich eines angedeuteten Zylinders mit einem seitlich in einem Zylinderkopf angeordneten Injektor, einer zentral im Zylinderkopf angeordneten Zündkerze, einem Steuergerat und einem Abgaskatalysator, wobei der Zylinder nach einem zweiten erfindungsgemaßen Verfahren in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt ist und
Fig. 4 eine Diagrammdarstellung der in erfindungsgemaßer Weise gemäß Fig. 3 bei verschiedenen Kurbelwinkeln vorgesehenen Einspritzungen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung Ausschnittsweise eine fremdgezundete, direkteinspritzende 4- Takt-Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders 4. Das erfindungsgemaße erste Verfahren wird am Beispiel des hier gezeigten Zylinders 4 gezeigt. Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder 4 mit je einem darin zyklisch auf und ab bewegten Kolben 17 aufweisen. Der Zylinder 4 ist in seiner Längsrichtung auf der dem Kolben 17 gegenüberliegenden Seite durch einen Zylinderkopf 19 verschlossen, wobei dessen Innenraum in Gegenrichtung durch den Kolben 17 begrenzt ist. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolben 17 und daran gekoppelte Steuerzeiten von nicht dargestellten Ein- und Auslassventilen werden insgesamt vier in zyklischer Abfolge aneinander gereihte, im Zusammenhang mit Fig. 2 näher beschriebene Verfahrenstakte der Brennkraftmaschine vorgegeben .
Zur Einspritzung von Kraftstoff 2 in den Zylinder 4 ist ein Injektor 3 vorgesehen, der mittels eines schematisch angedeuteten Steuergerätes 16 betätigt wird. Der in den Zylinder 4 eingespritzte Kraftstoff 2 bildet zusammen mit in einem Ansaugtakt 6 (Fig. 2) angesaugtem Frischluftvolumen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches zu einem geeigneten Zeitpunkt durch eine im Zylinderkopf 19 angeordnete Zündkerze 5 gezündet wird. Entsprechend der schematischen Darstellung nach Fig. 1 wird neben der Einspritzung durch den Injektor 3 auch die Zündung durch die Zündkerze 5 mittels des Steuergerätes 16 gesteuert. Die Zündung bewirkt eine Entflammung und Verbrennung des im Zylinder 4 befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches . Das daraus entstehende Abgas wird mittels eines oder mehrerer nicht dargestellter Auslassventile durch einen Abgaskanal 18 aus dem Zylinder 4 herausgeleitet und zur Nachbehandlung durch einen Abgaskatalysator 1 hindurchgeführt. Der Abgaskatalysator 1 kann von beliebiger geeigneter Bauweise sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Drei-Wege- Stirnwandkatalysator . Bei dem erfindungsgemaßen ersten Verfahren zum Kaltlauf- Betrieb der hier gezeigten fremdgezundeten Brennkraftmaschine, welches sich über den Zeitraum vom Kaltstart mit noch nicht auf Betriebstemperatur befindlichem Abgaskatalysator 1, Zylinder 4, Kolben 17 und Zylinderkopf 19 zumindest bis zu denjenigen Zeitpunkt erstreckt, in dem der Abgaskatalysator 1 seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, werden insgesamt drei Einspritzungen von Kraftstoff 2 mittels des Injektors 3 vorgenommen, die im Zusammenhang mit Fig. 2 naher beschrieben sind. Fig. 2 zeigt hierzu eine Diagrammdarstellung von verschiedenen Einzelablaufen des erfindungsgemaßen ersten Verfahrens abhangig von einem Kurbelwinkel α einer nicht dargestellten Kurbelwelle, die die axiale Position des Kolbens 17 im Zylinder 4 (Fig. 1) vorgibt. Ein Kurbelwinkel α von 0° gibt einen oberen Zundtotpunkt ZOT vor, in dem der Zylinderinnenraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthalt, in dem die nicht dargestellten Ein- und Auslassventile geschlossen sind, und in dem der in Fig. 1 dargestellte Kolben 17 in seiner dem Zylinderkopf 19 nachstkommenden Axialposition das im Zylinder 4 befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimiert hat. Im Bereich des oberen Zundtotpunktes ZOT wird eine Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels der Zündkerze 5 (Fig. 1) vorgenommen .
Ein erster Takt des 4-Takt-Verfahrens ist ein Ansaugtakt 6, der sich über einen Kurbelwinkelbereich α von 360° bis 180° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT erstreckt. Daran schließt sich ein Kompressionstakt 7 an, der über einen Kurbelwinkelbereich α von 180° bis 0° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT verlauft. Nachfolgend verlauft ein Arbeitstakt 8 vom oberen Zundtotpunkt ZOT mit einem Kurbelwinkel α von 0° bis 180°, an den sich ein Auslasstakt 22 von 180° bis 360° Kurbelwinkel α nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT anschließt. Das Ende des Auslasstaktes 22 bei einem Kurbelwinkel α von 360° nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT entspricht dem Beginn eines nachfolgenden Ansaugtaktes 6 bei einem Kurbelwinkel α von 360° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT.
Die nicht dargestellten Einlassventile fuhren einen Ventilhub h entsprechend einer Kurve 20 aus, die sich größtenteils über den Ansaugtakt 6 erstreckt und noch teilweise in den Kompressionstakt 7 hineinreicht. Bei einem Ventilhub h großer 0 der Einlassventile wird Frischluft, gegebenenfalls durch einen Lader unterstutzt, ins Innere des Zylinders 4 (Fig. 1) angesaugt. Entsprechendes gilt für die Ausleitung von Abgasen aus dem Zylinder 4, wobei ein Ventilhub h der nicht dargestellten Auslassventile durch eine Kurve 21 dargestellt ist. Demnach sind die Auslassventile im Wesentlichen über den Auslasstakt 22 geöffnet, wobei die Öffnung der Auslassventile bereits schon gegen Ende des Arbeitstaktes 8 beginnt. Bei geöffneten Auslassventilen wird das entstehende Abgas durch den in Fig. 1 angedeuteten Abgaskanal 18 und den nachgeordneten Abgaskatalysator 1 geleitet.
Unter gleichzeitigem Bezug auf die Fig. 1 und 2 ist nach dem erfindungsgemaßen ersten Verfahren vorgesehen, im Ansaugtakt 6 mittels des Injektors 3 eine erste Einspritzung von Kraftstoff 2 als Saughubeinspritzung 9 ms Innere des Zylinders 4 auszufuhren. Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist dabei die Saughubeinspritzung 9 derart ausgeführt, dass im Zylinder 4 ein zumindest naherungsweise homogenes Magergemisch 13 mit einem Luftverhaltnis λl von etwa 1,6 erzeugt wird. Die Saughubeinspritzung 9 erfolgt bei einem Kurbelwinkel α von etwa 260° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT. Die Saughubeinspritzung 9 kann dabei eine einzelne, über einen längeren Zeitraum stattfindende Einspritzung sein. Bei einer geeigneten Ausfuhrung des Injektors 3, beispielsweise in Piezobauweise kann die Saughubeinspritzung 9 auch als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung mit kurzen Einzeleinspπtzungen im Zeitbereich von wenigen Millisekunden ausgeführt werden.
In dem sich an den Ansaugtakt 6 anschließenden Kompressionstakt 7 wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff 2 als Kompressionshubeinspritzung 10 durchgeführt. Die Kompressionshubeinspritzung 10 liegt im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel bei einem Kurbelwinkel α von etwa 30° vor dem oberen Zundtotpunkt und ist als zeitlich verteilte Einfacheinspritzung ausgeführt. Vergleichbar zur Saughubeinspritzung 9 kann auch eine Mehrfacheinspritzung vorgenommen werden .
Die Kompressionshubeinrichtung 10 wird im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel mittels des auf den Injektor 3 einwirkenden Steuergerätes 16 derart ausgeführt, dass sich innerhalb des Magergemisches 13 eine im Vergleich zum Magergemisch 13 fettere Gemischwolke 14 ausbildet. Die Gemischwolke 14 ist im Magergemisch 13 der
Saughubeinspritzung 9 eingebettet und weist ein brennfahiges und zundfahiges Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem Luftverhaltnis λ2 von kleiner 1,0 auf. Die räumlich begrenzte, den Innenraum des Zylinders 4 nicht ausfüllende Gemischwolke 14 reicht bevorzugt nicht bis an kalte Wandungsbauteile der Brennkraftmaschine, wie den Zylinder 4, den Kolben 17 oder den Zylinderkopf 19 heran, erstreckt sich jedoch bis zum Funkenbereich der Zündkerze 5.
Nach der Saughubeinspritzung 9 und der
Kompressionshubeinspritzung 10 erfolgt noch eine dritte Einspritzung von Kraftstoff 2 in Form einer Schichteinspritzung 11, die in ihrer Strahlform derart ausgebildet ist, dass sie in die Gemischwolke 14 eingeleitet und dabei unmittelbar am Funkenbereich der Zündkerze 5 vorbeigefuhrt wird. Auch die Schichteinspritzung 11 kann entsprechend der Saughubeinspritzung 9 oder Kompressionshubeinspritzung 10 als Einfach- oder Mehrfacheinspritzung ausgeführt werden.
Im Unterschied zur Saughubeinspritzung 9 und zur Kompressionshubeinspritzung 10 ist der Zeitpunkt der Schichteinspritzung 11 nicht an den Kurbelwinkel α, sondern an die zeitliche Lage des Zundzeitpunktes 12 gekoppelt. Je nach Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine kann der Zundzeitpunkt 12 im Kompressionstakt 7 vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT oder danach im Arbeitstakt 8 liegen. Zweckmäßig liegt der Zundzeitpunkt 12 nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT und insbesondere in einem
Kurbelwinkelbereich α von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT. Beispielhaft ist hier der Zundzeitpunkt 12 bei einem Kurbelwinkel α von etwa 20° gezeigt. Bei einer Ausfuhrung der Schichteinspritzung 11 als Mehrfacheinspritzung kann es auch zweckmäßig sein, je eine Einzeleinspritzung kurz vor und kurz nach dem Zundzeitpunkt 12 vorzunehmen.
Die Schichteinspritzung 11 liegt zeitnah kurz vor dem Zundzeitpunkt 12, wobei ein Einspritzende 15 der Schichteinspritzung 11 hier beispielhaft im Zundzeitpunkt 12 liegend dargestellt ist. Das Einspritzende 15 liegt zweckmäßig in einem Bereich von 0° bis 10° des Kurbelwinkels α vor dem Zundzeitpunkt 12. Die spate, nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT liegende Zündung 12 erfolgt bei sinkendem, durch eine Kurve 23 dargestellten Zylinderdruck p. Die Schichteinspritzung 11 erzeugt ein lokal im Bereich der Zündkerze 5 angefettetes Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches in unmittelbarer zeitlicher Nachbarschaft trotz des relativ spat liegenden Zundzeitpunktes 12 leicht und zuverlässig entzündet werden kann. Die im Vergleich zur Saughubeinspritzung 9 und zur Kompressionshubeinspritzung 10 nur sehr geringe Kraftstoffmenge der Schichteinspritzung 11 dient hier lediglich einer sicheren Zündung und tragt ansonsten zum fetten Luftverhaltnis λ2 < 1,0 in der Gemischwolke 14 bei. Alle Einspritzungen 9, 10, 11 sind in ihrer jeweiligen Menge an Kraftstoff 2 derart aufeinander abgestimmt, dass zwar lokal im Magergemisch 13 der Saughubeinspritzung 9 ein Magergemisch und in der Gemischwolke 14 ein fettes Gemisch entsteht. Über das Gesamtvolumen des Zylinderinnenraums gemittelt ist jedoch ein globales Luftverhaltnis λ gebildet, welches stochiometπsch (λ=l) oder leicht mager (λ<l) ist. Bevorzugt liegt das globale Luftverhaltnis λ in einem Bereich zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05.
Durch die Schichteinspritzung 11 wird eine zuverlässige Zündung der Gemischwolke 14 auch bei sehr spatem Zundzeitpunkt 12 und bei kalten Bauteilen der Brennkraftmaschine sichergestellt, wahrend das homogene Magergemisch 13 eine übermäßige Anlagerung von Kraftstoff 2 an kalten Motorkomponenten vermeidet. Gleichzeitig ist die gesamte Menge an Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zylinder 4 beim Offnen der Auslassventile entsprechend der Kurve 21 insbesondere im Bereich des Magergemisches 13 nicht vollständig verbrannt. Unverbrannte Anteile werden durch den Abgaskanal 18 und den Abgaskatalysator 1 geleitet. Das etwa stochiometrische oder leicht magere globale Luftverhaltnis λ erlaubt ohne weitere Maßnahmen eine thermische Nachverbrennung im zwischen dem Zylinderkopf 19 und dem Abgaskatalysator 1 liegenden Bereich des Abgaskanals 18 sowie auch im Abgaskatalysator 1 selbst, wodurch dieser sehr schnell vom kalten Zustand auf die sogenannte Light-Off- Temperatur angeheizt wird, in der der Abgaskatalysator seine katalytische konvertierende Wirkung entfalten kann.
In Anpassung an die wahrend des Kaltlauf-Betriebes ansteigende Temperatur insbesondere im Bereich des Abgaskatalysators 1 werden mittels des Steuergerätes 16 die Einspritzmengen der Kompressionshubeinspritzung 10 und/oder der Schichteinspritzung 11 gesteuert bzw. geregelt. Darüber hinaus erfolgt auch eine Steuerung bzw. Regelung der Zeitpunkte der Kompressionshubeinspritzung 10 und/oder des Zundzeitpunktes 12 sowie der an den Zundzeitpunkt 12 gekoppelten Schichteinspritzung 11 mittels des Steuergerätes 16. Die vorgenannte Steuerung bzw. Regelung kann auch die Abfolge von Mehrfacheinspritzungen zur Bildung der einzelnen Einspritzungen 9, 10, 11 betreffen. Insbesondere ist vorgesehen, die Kompressionshubeinspritzung 10 von einem Kurbelwinkel α von etwa 30° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT kontinuierlich in einen früheren Zeitpunkt bis zu einem Kurbelwinkel α von etwa 210° bis 230° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT zu überfuhren. Gleichzeitig wird der anfanglich spate Zundzeitpunkt 12 und die daran gekoppelte Schichteinspritzung 11 in einen früheren Zeitpunkt insbesondere vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT verlegt.
Als unterstutzende Maßnahme für die thermische Nachverbrennung kann noch eine Sekundarlufteinblasung in den Abgaskanal 18 erfolgen, wodurch die Aufheizung des Abgaskatalysators 1 weiter beschleunigt wird. Ebenso kann es zweckmäßig sein, nach der Schichteinspritzung 11 und dem Zundzeitpunkt 12 eine betriebspunktabhangig entweder an den Zundzeitpunkt 12 oder an den Kurbelwinkel α gekoppelte zusatzliche Einspritzung vorzusehen, mit der zusatzliche chemische Energie in das Abgas und damit zum Abgaskatalysator 1 zur beschleunigten Aufheizung des selben eingebracht wird.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung Ausschnittsweise eine fremdgezundete, direkteinspritzende 4- Takt-Brennkraftmaschine im Bereich des Zylinders 4. Das erfindungsgemaße zweite Verfahren wird am Beispiel des hier gezeigten Zylinders 4 gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile bzw. Verfahrensschritte sind dabei mit denselben Bezugszeichen des ersten erfindungsgemaßen Verfahrens gemäß den Figuren 1 und 2 gekennzeichnet. Im Unterschied zur Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 ist eine Zündkerze 24 zentral im Zylinderkopf 25 angeordnet und ein Injektor 26 seitlich im Zylinderkopf 25 angeordnet. Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder 4 mit je einem darin zyklisch auf und ab bewegten Kolben 17 aufweisen. Der Zylinder 4 ist in seiner Längsrichtung auf der dem Kolben 17 gegenüberliegenden Seite durch den Zylinderkopf 25 verschlossen, wobei dessen Innenraum in Gegenrichtung durch den Kolben 17 begrenzt ist. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolben 17 und daran gekoppelte Steuerzeiten von nicht dargestellten Ein- und Auslassventilen werden insgesamt vier in zyklischer Abfolge aneinander gereihte, im Zusammenhang mit Fig. 4 naher beschriebene Verfahrenstakte der Brennkraftmaschine vorgegeben .
Zur Einspritzung von Kraftstoff 2 in den Zylinder 4 wird der Injektor 26 mittels des schematisch angedeuteten Steuergerätes 16 betätigt. Der seitlich im Zylinderkopf 25 angeordnete Injektor 26 ist nahe dem Einlassventil bzw. zwischen den Einlassventilen angeordnet. Der in den Zylinder 4 eingespritzte Kraftstoff 2 bildet zusammen mit im Ansaugtakt 6 (Fig. 4) angesaugtem Frischluftvolumen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches zu einem geeigneten Zeitpunkt durch die zentral im Zylinderkopf 25 angeordnete Zündkerze 24 gezündet wird. Entsprechend der schematischen Darstellung nach Fig. 3 wird neben der Einspritzung durch den Injektor 26 auch die Zündung durch die Zündkerze 24 mittels des Steuergerätes 16 gesteuert. Die Zündung bewirkt eine Entflammung und Verbrennung des im Zylinder 4 befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches . Das daraus entstehende Abgas wird mittels der Auslassventile durch den Abgaskanal 18 aus dem Zylinder 4 herausgeleitet und zur Nachbehandlung durch den Abgaskatalysator 1 hindurchgefuhrt . Der Abgaskatalysator 1 kann von beliebiger geeigneter Bauweise sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Drei-Wege- Stirnwandkatalysator .
Bei dem erfindungsgemaßen zweiten Verfahren zum Kaltlauf- Betrieb der hier gezeigten fremdgezundeten Brennkraftmaschine, welches sich über den Zeitraum vom Kaltstart mit noch nicht auf Betriebstemperatur befindlichem Abgaskatalysator 1, Zylinder 4, Kolben 17 und Zylinderkopf 25 zumindest bis zu denjenigen Zeitpunkt erstreckt, in dem der Abgaskatalysator 1 seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, werden insgesamt drei Einspritzungen von Kraftstoff 2 mittels des Injektors 26 vorgenommen, die im Zusammenhang mit Fig. 4 naher beschrieben sind. Fig. 4 zeigt hierzu eine Diagrammdarstellung von verschiedenen Einzelablaufen des erfindungsgemaßen zweiten Verfahrens abhangig von dem Kurbelwinkel α einer nicht dargestellten Kurbelwelle, die die axiale Position des Kolbens 17 im Zylinder 4 (Fig. 3) vorgibt. Ein Kurbelwinkel α von 0° gibt einen oberen Zundtotpunkt ZOT vor, in dem der Zylinderinnenraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthalt, in dem die nicht dargestellten Ein und Auslassventile geschlossen sind, und in dem der in Fig. 3 dargestellte Kolben 17 in seiner dem Zylinderkopf 25 nachstkommenden Axialposition das im Zylinder 4 befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimiert hat. Im Bereich des oberen Zundtotpunktes ZOT wird eine Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels der Zündkerze 24 (Fig. 3) vorgenommen .
Ein erster Takt des 4-Takt-Verfahrens ist der Ansaugtakt 6, der sich über einen Kurbelwinkelbereich α von 360° bis 180° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT erstreckt . Daran schließt sich der Kompressionstakt 7 an, der über einen Kurbelwinkelbereich α von 180° bis 0° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT verlauft. Nachfolgend verlauft der Arbeitstakt 8 vom oberen Zundtotpunkt ZOT mit einem Kurbelwinkel α von 0° bis 180°, an den sich der Auslasstakt 22 von 180° bis 360° Kurbelwinkel α nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT anschließt. Das Ende des Auslasstaktes 22 bei einem Kurbelwinkel α von 360° nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT entspricht dem Beginn eines nachfolgenden Ansaugtaktes 6 bei einem Kurbelwinkel α von 360° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT.
Die nicht dargestellten Einlassventile fuhren einen Ventilhub h entsprechend der Kurve 20 aus, die sich größtenteils über den Ansaugtakt 6 erstreckt und noch teilweise in den Kompressionstakt 7 hineinreicht. Bei einem Ventilhub h großer 0 der Einlassventile wird Frischluft, gegebenenfalls durch einen Lader unterstutzt, ins Innere des Zylinders 4 (Fig. 3) angesaugt. Entsprechendes gilt für die Ausleitung von Abgasen aus dem Zylinder 4, wobei ein Ventilhub h der nicht dargestellten Auslassventile durch die Kurve 21 dargestellt ist. Demnach sind die Auslassventile im Wesentlichen über den Auslasstakt 22 geöffnet, wobei die Öffnung der Auslassventile bereits schon gegen Ende des Arbeitstaktes 8 beginnt. Bei geöffneten Auslassventilen wird das entstehende Abgas durch den in Fig. 3 angedeuteten Abgaskanal 18 und den nachgeordneten Abgaskatalysator 1 geleitet.
Unter gleichzeitigem Bezug auf die Fig. 3 und 4 ist nach dem erfindungsgemaßen zweiten Verfahren vorgesehen, im Ansaugtakt 6 mittels des Injektors 26 eine erste Einspritzung von Kraftstoff 2 als Saughubeinspritzung 27 ins Innere des Zylinders 4 auszufuhren. Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist dabei die Saughubeinspritzung 27 derart ausgeführt, dass im Zylinder 4 ein zumindest naherungsweise homogenes Magergemisch 28 mit einem Luftverhaltnis λ3 von 2 bis 3 erzeugt wird. Die Saughubeinspritzung 27 erfolgt bei einem Kurbelwinkel α von 330° bis 200° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT. Beispielhaft ist in der Fig. 4 die Saughubeinspritzung 27 bei einem Kurbelwinkel α etwa 270° gezeigt. Die Saughubeinspritzung 27 kann dabei eine einzelne, über einen längeren Zeitraum stattfindende Einspritzung sein. Bei einer geeigneten Ausfuhrung des Injektors 26, beispielsweise in Piezobauweise kann die Saughubeinspritzung 27 auch als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung mit kurzen Einzeleinspritzungen im Zeitbereich von wenigen Millisekunden ausgeführt werden.
In dem sich an den Ansaugtakt 6 anschließenden Kompressionstakt 7 wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff 2 als Kompressionshubeinspritzung 29 durchgeführt, die bei einem Kurbelwinkel α von 330° bis 200° vor dem oberen Zundtotpunkt ZOT erfolgt. Die Kompressionshubeinspritzung 29 liegt im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel bei einem Kurbelwinkel α von etwa 95° vor dem oberen Zundtotpunkt und ist als zeitlich verteilte Einfacheinspritzung ausgeführt. Vergleichbar zur Saughubeinspritzung 27 kann auch eine Mehrfacheinspritzung vorgenommen werden. Die Kompressionshubeinspritzung 29 wird im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel mittels des auf den Injektor 26 einwirkenden Steuergerätes 16 derart ausgeführt, dass sich innerhalb des Magergemisches 28 eine im Vergleich zum Magergemisch 28 fettere Gemischwolke 30 ausbildet. Die Gemischwolke 30 ist im Magergemisch 28 der
Saughubeinspritzung 27 eingebettet und weist ein brennfahiges und zundfahiges Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem Luftverhaltnis λ4 von kleiner 1,0 auf. Die räumlich begrenzte, den Innenraum des Zylinders 4 nicht ausfüllende Gemischwolke 30 reicht bevorzugt nicht bis an kalte Wandungsbauteile der Brennkraftmaschine, wie den Zylinder 4, den Kolben 17 oder den Zylinderkopf 25 heran, erstreckt sich jedoch bis zum Funkenbereich der Zündkerze 24. Insbesondere wird durch die frühe Kompressionshubeinspritzung 29 m der ersten Hälfte der Kompressionstaktes 7, eine Benetzung des Kolbens 17 mit Kraftstoff vermieden.
Nach der Saughubeinspritzung 28 und der
Kompressionshubeinspritzung 30 erfolgt noch eine dritte Einspritzung von Kraftstoff 2 in Form einer Schichteinspritzung 31, die in ihrer Strahlform derart ausgebildet ist, dass sie in die Gemischwolke 30 eingeleitet und dabei unmittelbar an den Funkenbereich der Zündkerze 24 gefuhrt wird. Die Schichteinspritzung 31 liegt bei einem Kurbelwinkel α von 50° bis 10° vor dem oberen Zundtotpunkt . Die Schichteinspritzung 31 umfasst mindestens eine Einzelemspritzung, die eine Menge aufweist, welche im Wesentlichen der minimalen Einspritzmenge des Injektors 26 entspricht. Die Schichteinspritzung 31 kann in mehrere Einspritzungen aufgeteilt werden, deren jeweilige Menge im Wesentlichen gleich groß ist. Durch die Aufteilung der Schichteinspritzung 31 in mehrere Einspritzungen werden die einzelnen Einspritzungen der minimalen Einspritzmenge des Injektors 26 angenähert. Vorteilhafterweise wird durch die geringe Kraftstoffmenge der jeweiligen Einspritzungen die Eindringtiefe des abgespritzten Kraftstoffes begrenzt, so dass der Kraftstoff nur in den Funkenbereich der Zündkerze 24 gefuhrt wird, wodurch eine Benetzung der Wandungsbauteile der Brennkraftmaschine vermieden werden kann und im Funkenbereich der Zündkerze 24 ein fettes, zundfahiges Gemisch entsteht. Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist die Schichteinspritzung 31 in zwei aufeinander folgende Einspritzungen aufgeteilt.
Je nach Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine kann ein Zundzeitpunkt 32 nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT im Arbeitstakt 8 in einem Kurbelwinkelbereich von 0° bis 40° liegen. Beispielhaft ist hier der Zundzeitpunkt 32 bei einem Kurbelwinkel α von etwa 30° gezeigt.
Die spate, nach dem oberen Zundtotpunkt ZOT liegende Zündung 12 erfolgt bei sinkendem, durch eine Kurve 23 dargestellten Zylinderdruck p.
Die Schichteinspritzung 31 erzeugt ein lokal im Bereich der Zündkerze 5 angefettetes Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches in unmittelbarer zeitlicher Nachbarschaft trotz des relativ spat liegenden Zundzeitpunktes 32 leicht und zuverlässig entzündet werden kann. Die im Vergleich zur Saughubeinspritzung 27 , mit einem Anteil von 30% bis 60% einer Gesamteinspritzmenge aller Einspritzungen 27, 29, 31, und zur
Kompressionshubeinspritzung 29, mit einem Anteil von 20% bis 50% einer Gesamteinspritzmenge aller Einspritzungen 27, 29, 31, nur sehr geringe Kraftstoffmenge der Schichteinspritzung 31 mit einem Anteil von 10% bis 20% einer
Gesamteinspritzmenge aller Einspritzungen 27, 29, 31, dient hier lediglich einer sicheren Zündung und tragt ansonsten zum fetten Luftverhaltnis λ4 < 1,0 in der Gemischwolke 30 bei. Alle Einspritzungen 27, 29, 31 sind in ihrer jeweiligen Menge an Kraftstoff 2 derart aufeinander abgestimmt, dass zwar lokal im Magergemisch 28 der Saughubeinspritzung 27 ein Magergemisch und in der Gemischwolke 30 ein fettes Gemisch entsteht. Über das Gesamtvolumen des Zylinderinnenraums gemittelt ist jedoch ein globales Luftverhaltnis λ gebildet, welches stochiometrisch (λ=l) oder leicht mager (λ<l) ist. Bevorzugt liegt das globale Luftverhaltnis λ in einem Bereich zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05.
Durch die Schichteinspritzung 31 wird eine zuverlässige Zündung der Gemischwolke 30 auch bei sehr spatem Zundzeitpunkt 32 und bei kalten Bauteilen der Brennkraftmaschine sichergestellt, wahrend das homogene Magergemisch 28 eine übermäßige Anlagerung von Kraftstoff 2 an kalten Motorkomponenten vermeidet. Gleichzeitig ist die gesamte Menge an Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zylinder 4 beim Offnen der Auslassventile entsprechend der Kurve 21 insbesondere im Bereich des Magergemisches 28 nicht vollständig verbrannt. Unverbrannte Anteile werden durch den Abgaskanal 18 und den Abgaskatalysator 1 geleitet. Das etwa stochiometrische oder leicht magere globale Luftverhaltnis λ erlaubt ohne weitere Maßnahmen eine thermische Nachverbrennung im zwischen dem Zylinderkopf 25 und dem Abgaskatalysator 1 liegenden Bereich des Abgaskanals 18 sowie auch im Abgaskatalysator 1 selbst, wodurch dieser sehr schnell vom kalten Zustand auf die sogenannte Light-Off- Temperatur angeheizt wird, in der der Abgaskatalysator seine katalytische konvertierende Wirkung entfalten kann.
In Anpassung an die wahrend des Kaltlauf-Betriebes ansteigende Temperatur insbesondere im Bereich des Abgaskatalysators 1 werden mittels des Steuergerätes 16 die Einspritzmengen der Saughubeinspritzung 27 und/oder der Kompressionshubeinspritzung 29 und/oder der Schichteinspritzung 31 gesteuert bzw. geregelt. Darüber hinaus erfolgt auch eine Steuerung bzw. Regelung des Zundzeitpunkts 32 mittels des Steuergerätes 16. Die vorgenannte Steuerung bzw. Regelung kann auch die Abfolge von Mehrfacheinspritzungen zur Bildung der einzelnen Einspritzungen 27, 29, 31 betreffen.
Als unterstutzende Maßnahme für die thermische Nachverbrennung kann noch eine Sekundarlufteinblasung in den Abgaskanal 18 erfolgen, wodurch die Aufheizung des Abgaskatalysators 1 weiter beschleunigt wird. Ebenso kann es zweckmäßig sein, nach der Schichteinspritzung 31 und dem Zundzeitpunkt 32 eine betriebspunktabhangig entweder an den Zundzeitpunkt 32 oder an den Kurbelwinkel α gekoppelte zusätzliche Einspritzung vorzusehen, mit der zusatzliche chemische Energie in das Abgas und damit zum Abgaskatalysator 1 zur beschleunigten Aufheizung des selben eingebracht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezundeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine mit einem Abgaskatalysator (1), bei der Kraftstoff (2) mittels eines Injektors (3) in einen Zylinder (4) der Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer Zündkerze (5) fremdgezundet wird, welches folgende Schritte umfasst:
• in einem Ansaugtakt (6) erfolgt eine erste Einspritzung von Kraftstoff (2) als
Saughubeinspritzung (9), bei der im Zylinder (4) ein mageres, brennfahiges, aber nicht zundfahiges Magergemisch (13) erzeugt wird;
• in einem an den Ansaugtakt (6) anschließenden Kompressionstakt (7) wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff (2) als Kompressionshubeinspritzung (10) durchgeführt, bei der im Zylinder ein brennfahiges und zundfahiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird;
• anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zundzeitpunkt (12) eine dritte Einspritzung von Kraftstoff (2) in Form einer Schichteinspritzung (11) zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (5) angefetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (9) derart ausgeführt wird, dass im Zylinder (4) ein zumindest naherungsweise homogenes Magergemisch (13) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magergemisch (13) ein Luftverhaltnis (λl) von etwa 1,6 aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshubeinspritzung (10) derart ausgeführt wird, dass sich innerhalb des homogenen Magergemisches (13) eine im Vergleich dazu fettere Gemischwolke (14) ausbildet .
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fettere Gemischwolke (14) ein Luftverhaltnis (λ2) von kleiner 1,0 aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das über das Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen (9, 10, 11) entstehende globale Luftverhaltnis (λ) in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis großer 1,0 liegt und insbesondere zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05 betragt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (9) und/oder die Kompressionshubeinspritzung (10) und/oder die Schichteinspritzung (11) als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (9) bei einem Kurbelwinkel (α) von etwa 260° vor einem oberen Zundtotpunkt (ZOT) erfolgt .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshubeinspritzung (10) bei einem
Kurbelwinkel (α) von etwa 30° vor dem oberen Zundtotpunkt (ZOT) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinspritzung (11) zeitlich an den Zundzeitpunkt (12) angepasst wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zundzeitpunkt (12) nach dem oberen Zundtotpunkt (ZOT) und insbesondere in einem Kurbelwinkelbereich (α) von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zundtotpunkt (ZOT) liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzende (15) der Schichteinspritzung (11) im Zundzeitpunkt (12) liegt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Steuergerätes (16) abhangig von der erreichten Betriebstemperatur des Abgaskatalysators (1) die Einspritzmengen der Kompressionshubeinspritzung (10) und/oder der Schichteinspritzung (11) gesteuert bzw. geregelt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Steuergerätes (16) abhängig von der erreichten Betriebstemperatur des Abgaskatalysators (1) die Zeitpunkte der Kompressionshubeinspritzung (10) und/oder der Zündung (12) sowie der an den Zundzeitpunkt (12) gekoppelten Schichteinspritzung (11) gesteuert bzw. geregelt werden.
15. Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezundeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine mit einem Abgaskatalysator (1), bei der Kraftstoff (2) mittels eines seitlich in einem Zylinderkopf (25) angeordneten Injektors (26) in einen Zylinder (4) der
Brennkraftmaschine eingespritzt und mittels einer zentral im Zylinderkopf (25) angeordneten Zündkerze (24) fremdgezundet wird, welches folgende Schritte umfasst:
• in einem Ansaugtakt (6) erfolgt eine erste Einspritzung von Kraftstoff (2) als
Saughubeinspritzung (27), bei der im Zylinder (4) ein mageres, brennfahiges, aber nicht zundfahiges Magergemisch (28) erzeugt wird;
• in einem an den Ansaugtakt (6) anschließenden Kompressionstakt (7) wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff (2) als Kompressionshubeinspritzung (29) durchgeführt, bei der im Zylinder ein brennfahiges und zundfahige Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird; • anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zundzeitpunkt (32) eine dritte Einspritzung von Kraftstoff (2) in Form einer Schichteinspritzung (31) zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündkerze (24) angefetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches .
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (27) derart ausgeführt wird, dass im Zylinder (4) ein zumindest naherungsweise homogenes Magergemisch (28) erzeugt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magergemisch (28) ein Luftverhaltnis (λ3) zwischen 2 und 3 aufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshubeinspritzung (29) derart ausgeführt wird, dass sich innerhalb des homogenen Magergemisches (28) eine im Vergleich dazu fettere Gemischwolke (30) ausbildet .
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die fettere Gemischwolke (30) ein Luftverhaltnis (λ4) von kleiner 1,0 aufweist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das über das Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen (27, 29, 31) entstehende globale Luftverhaltnis (λ) in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis großer 1,0 liegt und insbesondere zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05 betragt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamteinspritzmenge aus allen Einspritzungen (27, 29, 31) jeweils für die Saughubeinspritzung (27) mit einem Anteil von 30% bis 60%, für die
Kompressionshubeinspritzung (29) mit einem Anteil von 20% bis 50% und für die Schichteinspritzung (31) mit einem Anteil von 10% bis 20% bemessen wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (27) und/oder die Kompressionshubeinspritzung (29) als
Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinspritzung (31) mindestens eine Einzeleinspritzung umfasst, die eine Menge aufweist, welche im Wesentlichen der minimalen Einspritzmenge des Injektors (26) entspricht.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Saughubeinspritzung (27) in einem Kurbelwinkelbereich
(α) von 330° bis 200° vor einem oberen Zundtotpunkt (ZOT) erfolgt .
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshubeinspritzung (29) in einem Kurbelwinkelbereich (α) von 150° bis 90° vor dem oberen Zundtotpunkt (ZOT) erfolgt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinspritzungen (31) in einem Kurbelwinkelbereich (α) von 50° bis 10° vor dem oberen Zundtotpunkt (ZOT) erfolgt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zundzeitpunkt (32) in einem Kurbelwinkelbereich (α) von 0° bis 40° nach dem oberen Zundtotpunkt (ZOT) erfolgt .
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Steuergerätes (16) abhangig von der erreichten Betriebstemperatur des Abgaskatalysators (1) die Einspritzmengen der Saughubeinspritzung (27) und/oder der Kompressionshubeinspritzung (29) und/oder der Schichteinspritzung (31) und/oder der Zündung (32) gesteuert bzw. geregelt werden.
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