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DE102006035139A1 - Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine Download PDF

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DE102006035139A1
DE102006035139A1 DE102006035139A DE102006035139A DE102006035139A1 DE 102006035139 A1 DE102006035139 A1 DE 102006035139A1 DE 102006035139 A DE102006035139 A DE 102006035139A DE 102006035139 A DE102006035139 A DE 102006035139A DE 102006035139 A1 DE102006035139 A1 DE 102006035139A1
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Matthias Dipl.-Ing. Werner
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DaimlerChrysler AG
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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

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine.
  • In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen werden verbreitet fremdgezündete 4-Takt-Brennkraftmaschinen eingesetzt, die auch als Ottomotor bezeichnet werden. Derartige Brennkraftmaschinen werden zunehmend mit einem Injektor versehen, mittels dessen eine Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinder der Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Mit in den Zylinder angesaugter Frischluft entsteht ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt mittels einer Zündkerze zur Initiierung einer Verbrennung gezündet wird.
  • Die entstehenden Abgase enthalten Schadstoffe, die ohne nachbehandelnde Maßnahmen einschlägige Vorschriften nicht erfüllen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wird das im Zylinder befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht vollständig verbrannt. Das entstehende Abgas enthält Anteile von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden, für deren Konversion in umweltverträglichere Stoffe ein Abgaskatalysator in der Abgasanlage nachgeschaltet ist. Die Wirksamkeit des Abgaskatalysators hängt 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 gewährleisten. Es wird ein später Zündzeitpunkt angestrebt, dessen späte Lage jedoch durch die Entflammbarkeit und damit den ruhigen Motorlauf begrenzt ist. Das fette Gemisch führt zu hohen Anteilen an unverbranntem Kraftstoff im Abgas, welches zur Aufheizung des noch kalten Abgaskatalysators genutzt werden kann. In Verbindung mit einer Sekundärlufteinblasung kann eine thermische Nachverbrennung erfolgen, deren Reaktionswärme den Abgaskatalysator aufheizt. Nachteilig sind hier der notwendige Einsatz einer elektrisch betriebenen Sekundärluftpumpe oder eines Sekundärluftladers 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 fremdgezündeten 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 gelöst.
  • 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, brennfähiges, aber nicht zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt. Das das gesamte Zylindervolumen ausfüllende magere Kraftstoff/Luft-Gemisch stellt ein ausreichendes Angebot an Sauerstoffmolekülen für die Nachoxidation zur Verfügung. Durch die geringe Einspritzmenge in die während des Ansaugtaktes kalte Frischladung wird die Anlagerung von Kraftstoff an die kalten Brennraumwände 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 brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird. Dies gewährleistet eine schnelle und sichere Verbrennung. Durch die im Kompressionstakt deutlich höheren Zylindertemperaturen wird der in den Kompressionstakt eingespritzte Kraftstoff deutlich besser aufbereitet. Dies führt 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 Öffnen 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 Sauerstoffüberschuss nachoxidiert werden.
  • Das im Bereich der Zündkerze vorherrschende geringe Luftverhältnis erlaubt ohne Beeinträchtigung der Zündwilligkeit eine vergleichsweise späte Lage des Zündzeitpunktes. Hierdurch kann eine hohe Abgastemperatur erzeugt werden, da der späte Zündzeitpunkt eine späte Schwerpunktlage der Verbrennung sowie ein spätes Brennende zur Folge hat. Diese Randbedingungen begünstigen in Verbindung mit den hohen Abgastemperaturen und dem leichten Sauerstoffüberschuss eine Nachoxidation von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff im Abgassystem, die als thermische Nachverbrennung sowohl im Auslasskanal und Abgaskrümmer, als auch im nachgeschalteten Abgaskatalysator stattfindet. Die dabei frei werdende Reaktionswärme 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 näherungsweise homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch einstellt. Unvermeidliche Kondensationsmengen von Kraftstoff an kalten Motorteilen werden verringert, während eine gleichmäßige Ausbreitung der Flammfront in der nachfolgenden Verbrennung sichergestellt ist. Hierbei hat sich für das erste Verfahren ein bevorzugtes Luftverhältnis von etwa 1,6 und für das zweite Verfahren ein bevorzugtes Luftverhältnis 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 Luftverhältnis von kleiner als oder gleich 1,0 auf, wodurch eine hohe Zündwilligkeit und eine lokal begrenzte schnelle Verbrennung, sichergestellt ist.
  • Vorteilhaft liegt das über das Zylindervolumen gemittelte, aus allen Einspritzungen entstehende globale Luftverhältnis in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis größer als 1,0 und beträgt 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 zusätzliche Luftzufuhr mittels Sekundärluftpumpe oder Sekundärluftlader 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 Zündungsbedingungen 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 Zündtotpunkt, und die Kompressionshubeinspritzung bei einem Kurbelwinkel von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt als zweckmäßig herausgestellt hat. Beim zweiten Verfahren hat sich für die Saughubeinspritzung ein Kurbelwinkel von 330° bis 200° vor dem oberen Zündtotpunkt und für die Kompressionshubeinspritzung ein Kurbelwinkel von 150° bis 90° vor dem oberen Zündtotpunkt als zweckmäßig herausgestellt.
  • Die Schichteinspritzung des ersten Verfahrens wird demgegenüber bevorzugt an den Zündzeitpunkt angepasst. Bei unterschiedlichen Last- und insbesondere Drehzahlverhältnissen wird der Zündzeitpunkt verändert und mit ihm auch der Zeitpunkt der Schichteinspritzung. Es wird sichergestellt, dass auch bei unterschiedlichen Zündzeitpunkten die darauf abgestimmte Schichteinspritzung eine zuverlässige Entflammung der Zylinderfüllung sicherstellt. Für die Schichteinspritzung des zweiten Verfahrens hat sich ein Kurbelwinkel von 50° bis 10° vor dem oberen Zündtotpunkt als zweckmäßig herausgestellt, wobei der Zündzeitpunkt in einem Kurbelwinkel von 0° bis 40° nach dem oberen Zündtotpunkt erfolgt.
  • Zur Erzeugung der oben beschriebenen Randbedingungen des ersten Verfahrens einer schnellen Katalysatoraufheizung liegt der Zündzeitpunkt zweckmäßig nach dem oberen Zündtotpunkt und insbesondere in einem Kurbelwinkelbereich von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zündtotpunkt. Das Einspritzende der Schichteinspritzung liegt zweckmäßig im Bereich des Zündzeitpunktes und bevorzugt zwischen einschließlich 0° und 10° Kurbelwinkel vor dem Zündzeitpunkt. Bei zuverlässiger Entflammung ist eine schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators erreichbar.
  • In bevorzugter Weiterbildung werden mittels eines Steuergerätes abhängig 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 Ausführungsbeispiel des ersten und des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Schemadarstellung einer Brennkraftmaschine im Bereich eines angedeuteten Zylinders mit einem Injektor, einer Zündkerze, einem Steuergerät und einem Abgaskatalysator, wobei der Zylinder nach einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt ist,
  • 2 eine Diagrammdarstellung der in erfindungsgemäßer Weise gemäß 1 bei verschiedenen Kurbelwinkeln vorgesehenen Einspritzungen,
  • 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 Steuergerät und einem Abgaskatalysator, wobei der Zylinder nach einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren in verschiedenen Bereichen unterschiedlich mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt ist und
  • 4 eine Diagrammdarstellung der in erfindungsgemäßer Weise gemäß 3 bei verschiedenen Kurbelwinkeln vorgesehenen Einspritzungen.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung Ausschnittsweise eine fremdgezündete, direkteinspritzende 4-Takt-Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders 4. Das erfindungsgemäße 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 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 (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 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 erfindungsgemäßen ersten Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb der hier gezeigten fremdgezündeten 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 2 näher beschrieben sind. 2 zeigt hierzu eine Diagrammdarstellung von verschiedenen Einzelabläufen des erfindungsgemäßen ersten Verfahrens abhängig von einem Kurbelwinkel α einer nicht dargestellten Kurbelwelle, die die axiale Position des Kolbens 17 im Zylinder 4 (1) vorgibt. Ein Kurbelwinkel α von 0° gibt einen oberen Zündtotpunkt ZOT vor, in dem der Zylinderinnenraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthält, in dem die nicht dargestellten Ein- und Auslassventile geschlossen sind, und in dem der in 1 dargestellte Kolben 17 in seiner dem Zylinderkopf 19 nächstkommenden Axialposition das im Zylinder 4 befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimiert hat. Im Bereich des oberen Zündtotpunktes ZOT wird eine Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels der Zündkerze 5 (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 Zündtotpunkt ZOT erstreckt. Daran schließt sich ein Kompressionstakt 7 an, der über einen Kurbelwinkelbereich α von 180° bis 0° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT verläuft. Nachfolgend verläuft ein Arbeitstakt 8 vom oberen Zündtotpunkt ZOT mit einem Kurbelwinkel α von 0° bis 180°, an den sich ein Auslasstakt 22 von 180° bis 360° Kurbelwinkel α nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT anschließt. Das Ende des Auslasstaktes 22 bei einem Kurbelwinkel α von 360° nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT entspricht dem Beginn eines nachfolgenden Ansaugtaktes 6 bei einem Kurbelwinkel α von 360° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT.
  • Die nicht dargestellten Einlassventile führen 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 größer 0 der Einlassventile wird Frischluft, gegebenenfalls durch einen Lader unterstützt, ins Innere des Zylinders 4 (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 1 angedeuteten Abgaskanal 18 und den nachgeordneten Abgaskatalysator 1 geleitet.
  • Unter gleichzeitigem Bezug auf die 1 und 2 ist nach dem erfindungsgemäßen ersten Verfahren vorgesehen, im Ansaugtakt 6 mittels des Injektors 3 eine erste Einspritzung von Kraftstoff 2 als Saughubeinspritzung 9 ins Innere des Zylinders 4 auszuführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei die Saughubeinspritzung 9 derart ausgeführt, dass im Zylinder 4 ein zumindest näherungsweise homogenes Magergemisch 13 mit einem Luftverhältnis λ1 von etwa 1,6 erzeugt wird. Die Saughubeinspritzung 9 erfolgt bei einem Kurbelwinkel α von etwa 260° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Die Saughubeinspritzung 9 kann dabei eine einzelne, über einen längeren Zeitraum stattfindende Einspritzung sein. Bei einer geeigneten Ausführung des Injektors 3, beispielsweise in Piezobauweise kann die Saughubeinspritzung 9 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 10 durchgeführt. Die Kompressionshubeinspritzung 10 liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel bei einem Kurbelwinkel α von etwa 30° vor dem oberen Zündtotpunkt und ist als zeitlich verteilte Einfacheinspritzung ausgeführt. Vergleichbar zur Saughubeinspritzung 9 kann auch eine Mehrfacheinspritzung vorgenommen werden.
  • Die Kompressionshubeinrichtung 10 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel 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 brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem Luftverhältnis 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 vorbeigeführt 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 Zündzeitpunktes 12 gekoppelt. Je nach Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine kann der Zündzeitpunkt 12 im Kompressionstakt 7 vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT oder danach im Arbeitstakt 8 liegen. Zweckmäßig liegt der Zündzeitpunkt 12 nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT und insbesondere in einem Kurbelwinkelbereich α von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Beispielhaft ist hier der Zündzeitpunkt 12 bei einem Kurbelwinkel α von etwa 20° gezeigt. Bei einer Ausführung der Schichteinspritzung 11 als Mehrfacheinspritzung kann es auch zweckmäßig sein, je eine Einzeleinspritzung kurz vor und kurz nach dem Zündzeitpunkt 12 vorzunehmen.
  • Die Schichteinspritzung 11 liegt zeitnah kurz vor dem Zündzeitpunkt 12, wobei ein Einspritzende 15 der Schichteinspritzung 11 hier beispielhaft im Zündzeitpunkt 12 liegend dargestellt ist. Das Einspritzende 15 liegt zweckmäßig in einem Bereich von 0° bis 10° des Kurbelwinkels α vor dem Zündzeitpunkt 12. Die späte, nach dem oberen Zündtotpunkt 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 spät liegenden Zündzeitpunktes 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 trägt ansonsten zum fetten Luftverhältnis 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 Luftverhältnis λ gebildet, welches stöchiometrisch (λ = 1) oder leicht mager (λ < 1) ist.
  • Bevorzugt liegt das globale Luftverhältnis 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 spätem Zündzeitpunkt 12 und bei kalten Bauteilen der Brennkraftmaschine sichergestellt, während 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 Öffnen 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 stöchiometrische oder leicht magere globale Luftverhältnis 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 während 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 Zündzeitpunktes 12 sowie der an den Zündzeitpunkt 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 Zündtotpunkt ZOT kontinuierlich in einen früheren Zeitpunkt bis zu einem Kurbelwinkel α von etwa 210° bis 230° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT zu überführen. Gleichzeitig wird der anfänglich späte Zündzeitpunkt 12 und die daran gekoppelte Schichteinspritzung 11 in einen früheren Zeitpunkt insbesondere vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT verlegt.
  • Als unterstützende Maßnahme für die thermische Nachverbrennung kann noch eine Sekundärlufteinblasung 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 Zündzeitpunkt 12 eine betriebspunktabhängig entweder an den Zündzeitpunkt 12 oder an den Kurbelwinkel α gekoppelte zusätzliche Einspritzung vorzusehen, mit der zusätzliche chemische Energie in das Abgas und damit zum Abgaskatalysator 1 zur beschleunigten Aufheizung des selben eingebracht wird.
  • 3 zeigt in einer schematischen Darstellung Ausschnittsweise eine fremdgezündete, direkteinspritzende 4-Takt-Brennkraftmaschine im Bereich des Zylinders 4. Das erfindungsgemäße zweite Verfahren wird am Beispiel des hier gezeigten Zylinders 4 gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile bzw. Verfahrensschritte sind dabei mit denselben Bezugszeichen des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den 1 und 2 gekennzeichnet. Im Unterschied zur Brennkraftmaschine gemäß 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 4 näher 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 (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 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 hindurchgeführt. Der Abgaskatalysator 1 kann von beliebiger geeigneter Bauweise sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Drei-Wege-Stirnwandkatalysator.
  • Bei dem erfindungsgemäßen zweiten Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb der hier gezeigten fremdgezündeten 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 4 näher beschrieben sind. 4 zeigt hierzu eine Diagrammdarstellung von verschiedenen Einzelabläufen des erfindungsgemäßen zweiten Verfahrens abhängig von dem Kurbelwinkel α einer nicht dargestellten Kurbelwelle, die die axiale Position des Kolbens 17 im Zylinder 4 (3) vorgibt. Ein Kurbelwinkel α von 0° gibt einen oberen Zündtotpunkt ZOT vor, in dem der Zylinderinnenraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch enthält, in dem die nicht dargestellten Ein und Auslassventile geschlossen sind, und in dem der in 3 dargestellte Kolben 17 in seiner dem Zylinderkopf 25 nächstkommenden Axialposition das im Zylinder 4 befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimiert hat. Im Bereich des oberen Zündtotpunktes ZOT wird eine Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels der Zündkerze 24 (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 Zündtotpunkt ZOT erstreckt. Daran schließt sich der Kompressionstakt 7 an, der über einen Kurbelwinkelbereich α von 180° bis 0° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT verläuft. Nachfolgend verläuft der Arbeitstakt 8 vom oberen Zündtotpunkt ZOT mit einem Kurbelwinkel α von 0° bis 180°, an den sich der Auslasstakt 22 von 180° bis 360° Kurbelwinkel α nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT anschließt. Das Ende des Auslasstaktes 22 bei einem Kurbelwinkel α von 360° nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT entspricht dem Beginn eines nachfolgenden Ansaugtaktes 6 bei einem Kurbelwinkel α von 360° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT.
  • Die nicht dargestellten Einlassventile führen 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 größer 0 der Einlassventile wird Frischluft, gegebenenfalls durch einen Lader unterstützt, ins Innere des Zylinders 4 (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 3 angedeuteten Abgaskanal 18 und den nachgeordneten Abgaskatalysator 1 geleitet.
  • Unter gleichzeitigem Bezug auf die 3 und 4 ist nach dem erfindungsgemäßen zweiten Verfahren vorgesehen, im Ansaugtakt 6 mittels des Injektors 26 eine erste Einspritzung von Kraftstoff 2 als Saughubeinspritzung 27 ins Innere des Zylinders 4 auszuführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei die Saughubeinspritzung 27 derart ausgeführt, dass im Zylinder 4 ein zumindest näherungsweise homogenes Magergemisch 28 mit einem Luftverhältnis λ3 von 2 bis 3 erzeugt wird. Die Saughubeinspritzung 27 erfolgt bei einem Kurbelwinkel α von 330° bis 200° vor dem oberen Zündtotpunkt ZOT. Beispielhaft ist in der 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 Ausführung des Injektors 26, beispielsweise in Piezobauweise kann die Saughubeinspritzung 27 auch als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Drerfacheinspritzung 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 Zündtotpunkt ZOT erfolgt. Die Kompressionshubeinspritzung 29 liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel bei einem Kurbelwinkel α von etwa 95° vor dem oberen Zündtotpunkt und ist als zeitlich verteilte Einfacheinspritzung ausgeführt. Vergleichbar zur Saughubeinspritzung 27 kann auch eine Mehrfacheinspritzung vorgenommen werden.
  • Die Kompressionshubeinspritzung 29 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel 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 brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem Luftverhältnis 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 in 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 geführt wird. Die Schichteinspritzung 31 liegt bei einem Kurbelwinkel α von 50° bis 10° vor dem oberen Zündtotpunkt. Die Schichteinspritzung 31 umfasst mindestens eine Einzeleinspritzung, 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 geführt wird, wodurch eine Benetzung der Wandungsbauteile der Brennkraftmaschine vermieden werden kann und im Funkenbereich der Zündkerze 24 ein fettes, zündfähiges Gemisch entsteht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schichteinspritzung 31 in zwei aufeinander folgende Einspritzungen aufgeteilt.
  • Je nach Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine kann ein Zündzeitpunkt 32 nach dem oberen Zündtotpunkt ZOT im Arbeitstakt 8 in einem Kurbelwinkelbereich von 0° bis 40° liegen. Beispielhaft ist hier der Zündzeitpunkt 32 bei einem Kurbelwinkel α von etwa 30° gezeigt.
  • Die späte, nach dem oberen Zündtotpunkt 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 spät liegenden Zündzeitpunktes 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 trägt ansonsten zum fetten Luftverhältnis 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 Luftverhältnis λ gebildet, welches stöchiometrisch (λ = 1) oder leicht mager (λ < 1) ist.
  • Bevorzugt liegt das globale Luftverhältnis 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 spätem Zündzeitpunkt 32 und bei kalten Bauteilen der Brennkraftmaschine sichergestellt, während 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 Öffnen 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 stöchiometrische oder leicht magere globale Luftverhältnis 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 während 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 Zündzeitpunkts 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 unterstützende Maßnahme für die thermische Nachverbrennung kann noch eine Sekundärlufteinblasung 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 Zündzeitpunkt 32 eine betriebspunktabhängig entweder an den Zündzeitpunkt 32 oder an den Kurbelwinkel α gekoppelte zusätzliche Einspritzung vorzusehen, mit der zusätzliche chemische Energie in das Abgas und damit zum Abgaskatalysator 1 zur beschleunigten Aufheizung des selben eingebracht wird.

Claims (28)

  1. Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten, 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) fremdgezündet 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, brennfähiges, aber nicht zündfähiges 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 brennfähiges und zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird; • anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (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 näherungsweise homogenes Magergemisch (13) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magergemisch (13) ein Luftverhältnis (λ1) 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 Luftverhältnis (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 Luftverhältnis (λ) in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis größer 1,0 liegt und insbesondere zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05 beträgt.
  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 Drerfacheinspritzung 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 Zündtotpunkt (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 Zündtotpunkt (ZOT) erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinspritzung (11) zeitlich an den Zündzeitpunkt (12) angepasst wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (12) nach dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) und insbesondere in einem Kurbelwinkelbereich (α) von 0° bis 35°, bevorzugt von 15° bis 30° nach dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) liegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzende (15) der Schichteinspritzung (11) im Zündzeitpunkt (12) liegt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Steuergerätes (16) abhängig 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 Zündzeitpunkt (12) gekoppelten Schichteinspritzung (11) gesteuert bzw. geregelt werden.
  15. Verfahren zum Kaltlauf-Betrieb einer fremdgezündeten, 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) fremdgezündet 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, brennfähiges, aber nicht zündfähiges 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 brennfähiges und zündfähige Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird; • anschließend erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt (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 näherungsweise homogenes Magergemisch (28) erzeugt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magergemisch (28) ein Luftverhältnis (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 Luftverhältnis (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 Luftverhältnis (λ) in einem Bereich von einschließlich etwa 1,0 bis größer 1,0 liegt und insbesondere zwischen einschließlich 1,0 und einschließlich 1,05 beträgt.
  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 Zündtotpunkt (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 Zündtotpunkt (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 Zündtotpunkt (ZOT) erfolgt.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündzeitpunkt (32) in einem Kurbelwinkelbereich (α) von 0° bis 40° nach dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) erfolgt.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Steuergerätes (16) abhängig 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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