DE10354102A1

DE10354102A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10354102A1
Application number: DE10354102A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Brehm; Gunther Dr. Elsässer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-06-02

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einem Brennraum, in dem ein Kolben zumindest eine Ansaugphase und eine Kompressionsphase durchläuft, wobei ein zündfähiges Kraftstoff-/Luft-Gemisch in einem Zündkerzenbereich gezündet wird und bei hoher Last zumindest eine Kraftstoffeinspritzung während der Kompressionsphase erfolgt. DOLLAR A Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine wird ein klopfender Betrieb vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie geht von der WO 97/40356 aus, in der ein Betriebsverfahren für eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschinen beschrieben ist, bei dem eine Steuereinheit, die den Brennvorgang im Brennraum bestimmenden Parameter derart einstellt, dass eine klopfende Verbrennung vermieden ist. Bei klopfender Verbrennung brennt ein Teil des Kraftstoff-/Luftgemischs nicht von der Zündkerze ausgehend gleichmäßig durch, sondern entzündet sich von selbst oder an heißen Oberflächen und verbrennt schlagartig, wobei sich die dabei auftretenden Druckspitzen im Brennraum leistungsmindernd auswirken können. Bei dem beschriebenen Verfahren werden zur Erkennung einer klopfenden Verbrennung Ausgangssignale von Klopfsensoren ausgewertet. Ein Mikro-Computer des Steuergerätes berechnet dementsprechend Steuersignale für die Zündung oder die Einspritzung. Bei erkanntem Klopfen wird der Zündzeitpunkt in Richtung „später Zündung" während des Arbeitsspieles der Brennkraftmaschine verstellt. Durch diese Verstellung des Zündzeitpunktes nach spät soll sichergestellt werden, dass bei den folgenden Verbrennungsvorgängen ein Klopfen vermieden wird.

Nachteilig bei dem beschriebenen Verfahren ist, dass erst Klopfen auftreten muss, damit die Parameter für den Brennkraftmaschinenbetrieb nachschüssig derart nachgeregelt werden können, damit erst bei den weiteren Brennverläufen ein Klopfen sicher vermieden wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Betriebsverfahren für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine aufzuzeigen, bei dem ein Klopfen weitestgehend vermieden und eine Nachregelung nicht notwendig ist.

Diese Aufgabe ist durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, das vorzugsweise im oberen Teillastbereich und/oder bei Volllast eingesetzt wird, wird sicher verhindert, dass während der Kompressionsphase, in der sich Klopfherde ausbilden können, in den Randbereichen des Brennraumes ein selbstzündfähiges Kraftstoff-/Luftgemisch vorliegt. Der zum Zündzeitpunkt außerhalb des Zündkerzenbereiches befindliche Kraftstoff verdampft nach der Zündung, von der Verbrennung unterstützt, und brennt anschließend aufgrund der chemischen Reaktion vollständig durch. Wegen der späten Gemischaufbereitung, d. h. Kraftstoffverdampfung in den Bereichen außerhalb des Zündkerzenbereiches, bildet sich an typischen Klopforten, beispielsweise im Bereich der heißen Auslassventile, kein Klopfherd aufgrund der deutlich verkürzten Vorreaktionszeit und der niedrigeren Temperaturen durch die späte Kraftstoffverdampfung. Somit kann auch keine Selbstzündung erfolgen. Weiter wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert und zusätzlich kühleres Abgas emittiert.

Durch die Einspritzung gemäß Patentanspruch 2 wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass vor dem Zündzeitpunkt im gesamten Brennraum ein homogenes Kraftstoff-/Luftgemisch, d. h. ein gleichmäßig durchmischtes Kraftstoff-/Luftgemisch gebildet wird, wodurch in vorteilhafter Weise der Entstehung von Klopfherden vorgebeugt wird.

Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Patentanspruch 3 erweitert, da insbesondere aufgeladene Brennkraftmaschinen zum Klopfen neigen. Somit eignet sich das Verfahren besonders für aufgeladene Brennkraftmaschinen bzw. Brennkraftmaschinen mit einem Verdichtungsverhältnis größer 12.

Zur Umsetzung des Verfahrens im oberen Teillastbetrieb und/oder Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine müssen folgende Punkte gewährleistet sein:

1. Durch eine geeignete Kombination aus der geometrischen Form des Brennraums, der Kraftstoffstrahlform und der Kraftstoffstrahleindringtiefe, sowie der Ladungsbewegung im Brennraum, muss im Zündkerzenbereich innerhalb kürzester Zeit ein möglichst homogenes Gemisch erzeugt werden.
2. Der flüssige Kraftstoff muss im Zündkerzenbereich sehr schnell verdampfen, außerhalb des Zündkerzenbereiches bezogen auf die Ausbreitung der Flamme im Brennraum jedoch nicht zu schnell, damit an den kritischen Klopforten, wie oben beschrieben, kein Klopfherd entstehen kann. Dies heißt, dass zündfähiges Kraftstoff-/Luftgemisch, ausgehend von der Zündkerze, nach dem Zündzeitpunkt zum Brennen beginnt, während an den am weitesten von der Zündkerze entfernten Orten, bzw. an den klopfgefährdeten Orten, noch kein selbstzündfähiges Kraftstoff-/Luftgemisch vorliegt.
3. Vor dem Ende der Verbrennung muss auch in den noch nicht von der Flamme erfassten Gebieten ein zündfähiges Kraftstoff-/Luftgemisch vorliegen, so dass das gesamte Brennraumvolumen und somit auch der gesamte im Brennraum vorhandene Sauerstoff und Kraftstoff an der Verbrennung teilnimmt. Hier ist durch einen mageren Brennkraftmaschinenbetrieb eine Vereinfachung des Verfahrens möglich, indem weniger Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird als Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung steht. Somit wird das Verfahren der Gemischbildung vereinfacht.

Es gelten ferner für das vorgeschlagene Verfahren folgende Definitionen:

– Vorreaktionszeit: Die Zeit, die für den Ablauf von chemischen Vorreaktionen bis zur Selbstzündung erforderlich ist. Sie ist abhängig von Temperatur, Druck und der Kraftstoff-/Luftgemischzusammensetzung.
- selbstzündfähig: Ein Kraftstoff-/Luftgemisch ist selbstzündfähig, wenn die Bedingungen für Selbstzündung erfüllt sind, d.h. wenn die Vorreaktionszeit kürzer ist als die Zeit, die eine Flammenfront zum Erfassen des Endgases, das noch nicht verbrannte Kraftstoff-/Luftgemisch, benötigt.
- Hohe Last: Zu einer hohen Last einer Brennkraftmaschine sind alle Betriebspunkte zu zählen, bei denen Klopfen auftreten kann.
- Zündkerzenbereich: Ein Bereich um den Zündort einer Zündquelle mit maximal dem halben Durchmesser eines Kolbens.

Um oben genannten Punkte zu erreichen, können unterschiedliche Parameter für den Betrieb der Brennkraftmaschine angepasst werden. Bezüglich der Kraftstoffeinspritzung sind dies: Der Einspritzzeitpunkt, eventuell eine Mehrfacheinspritzung, der Kraftstoffeinspritzdruck sowie der Kraftstoffeinspritzverlauf, d. h. der Öffnungshub des Injektors über die Zeit. Ferner kann die Lochgeometrie des Kraftstoffinjektors, beispielsweise der Bohrungsdurchmesser, entsprechend angepasst bzw. die Lochgeometrie über den Umfang des Kraftstoffinjektors verändert werden. Als weitere Parameter sind auch der Zündzeitpunkt zu nennen, der den Beginn der Verbrennung bestimmt und eine gezielte Ladungsbewegung über die Einlasskanäle und die Kolbenform, die die Gemischbildung beeinflussen.

Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die Erfindung eine starke Reduzierung bis zur Verhinderung der Klopfneigung ermöglicht und somit hohe Verdichtungsverhältnisse bei gleichzeitig verbessertem Zündzeitpunkt und daraus resultierender verbesserter Schwerpunktlage der Verbrennung gestattet. Dies gilt insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen die nach dem Otto-Prinzip arbeiten.

Somit ermöglicht die Erfindung neben der hohen Sicherheit gegen Selbstentflammung (Klopfen) des Kraftstoff-/Luftgemisches:

– Einen besseren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und/oder
– ein höheres Verdichtungsverhältnis, wodurch
– niedrigere Abgastemperaturen bei gleicher Motorlast und gleichem Kraftstoff-/Luftverhältnis erzielt werden, wodurch
– keine bzw. eine stark verringerte Volllastanreicherung mit Kraftstoff zum Schutz des Katalysators erforderlich wird, was
– zu einer zusätzlichen Kraftstoffeinsparung führt.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einem Brennraum in dem ein Kolben zumindest eine Ansaugphase und eine Kompressionsphase durchläuft, wobei ein zündfähiges Kraftstoff-/Luft-Gemisch in einem Zündkerzenbereich gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei hoher Last zumindest eine Kraftstoffeinspritzung während der Kompressionsphase erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der Kolben von der Kurbelwelle in der Kompressionsphase in Richtung eines oberen Zündtodpunktes bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung erst bei einem kleineren Abstand des Kolbens als 100 Grad Kurbelwinkel von dem oberen Zündtodpunkt beginnt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine aufgeladen ist.