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WO2005103468A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine in der nachstartphase bei temperaturen - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine in der nachstartphase bei temperaturen Download PDF

Info

Publication number
WO2005103468A1
WO2005103468A1 PCT/EP2005/003542 EP2005003542W WO2005103468A1 WO 2005103468 A1 WO2005103468 A1 WO 2005103468A1 EP 2005003542 W EP2005003542 W EP 2005003542W WO 2005103468 A1 WO2005103468 A1 WO 2005103468A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injection
fuel
combustion chamber
stratified
ignition
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/003542
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Köhler
Christoph Lux
Michael Oechsle
Andreas Spieth
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimlerchrysler Ag filed Critical Daimlerchrysler Ag
Priority to JP2007507695A priority Critical patent/JP2007532822A/ja
Publication of WO2005103468A1 publication Critical patent/WO2005103468A1/de
Priority to US11/580,709 priority patent/US7370629B2/en

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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
    • F02D41/062—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up for starting
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
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    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a spark-ignited internal combustion engine, in particular for operating a spark-ignited internal combustion engine with direct fuel injection in the Nachstartphase at low temperatures.
  • the engine In direct injection gasoline engines and gasoline engines with intake manifold injection in a conventional injection strategy, the engine is operated in the first seconds after a cold start at low temperatures of -30 ° C to 0 ° C in the so-called homogeneous mode.
  • the injection into the combustion chamber takes place in the intake stroke. Due to the inflowing intake air and the resulting by downwardly moving piston flows in the combustion chamber of the injected fuel is uniformly mixed with the fresh air.
  • the charge thus produced in the combustion chamber is completely homogenized, i. It is located in the entire combustion chamber, essentially the same fuel-air mixture.
  • the fuel-air mixture near the spark plug must be slightly rich at the time of ignition, ie have a slight excess of fuel. But since in homogeneous operation, the mixture throughout Combustion chamber is evenly / homogeneously distributed, must also be produced in the entire combustion chamber, a slightly rich mixture. This results in an increased emission of carbon monoxide and unburned hydrocarbons due to the lack of oxygen during combustion. The incomplete implementation of the energy bound in the fuel also causes increased fuel consumption.
  • the fuel condensed on the combustion chamber wall and on the piston crown is present there in liquid form. He no longer takes part in the actual, the moment generating combustion. Also, the vaporized fuel in the immediate vicinity of the cold combustion chamber walls no longer takes part in the combustion due to the so-called quenching. In addition, the combustion is deprived of heat and thus energy by the cold combustion chamber walls. This leads to a slowing of the burning speed up to the extinction of the flame in the vicinity of the combustion chamber wall. It forms a layer of unburned hydrocarbons in front of the combustion chamber wall. During the Ausschiebevorgangs scrape the upward moving piston from this fuel from the combustion chamber wall and pushes it unburned through the open exhaust valve in the exhaust duct. This results in high HC emissions.
  • the non-participating in the combustion fuel must be compensated by an increased injection amount, so that in the areas of the combustion chamber in which the fresh charge can take part in the combustion, a sufficient amount of fuel and thus energy is available to the torque required for engine operation to create.
  • this requires very high injection quantities, which can amount to a multiple of the injection quantity at full load.
  • the injection quantity required after the cold start defines the minimum delivery rate of an electric fuel pump or a high-pressure pump.
  • This object is achieved by a method for operating a spark-ignited internal combustion engine
  • Direct fuel injection in the post-start phase is fed to a combustion chamber combustion air; into the combustion chamber fuel is injected by means of a fuel injector; and a fuel-air mixture formed in the combustion chamber is ignited by a spark plug at a predetermined ignition timing.
  • the inventive method is characterized in that a pilot injection of a first amount of fuel in an intake stroke of the internal combustion engine is injected into the combustion chamber, with which substantially in the entire combustion chamber, a homogeneous, lean fuel-air mixture ( ⁇ > 1) is formed; and that then a main injection of a second quantity of fuel in the compression stroke is injected into the combustion chamber immediately before the ignition, with which in the region of the spark plug a stratified, rich fuel-air cloud ( ⁇ ⁇ 1) is formed.
  • the amount of fuel injected into the combustion chamber in the post-start phase ie, in the time after the engine start has ended until the lambda control is ready for operation, is divided into two injection quantities.
  • the pilot injection takes place in the intake stroke of the internal combustion engine in order to form a homogeneous, lean fuel-air mixture in the entire combustion chamber.
  • the main injection is performed as a multiple injection with multiple layer injections in short time sequence. This multiple injection improves the mixing of the stratified injected fuel with the fresh air and the residual gas, further improving the flammability safety.
  • the main injection is carried out as a double injection with two layer injections.
  • the ignition timing may be either after the second main injection split-layer injection or between the first and second main injection layer injections.
  • the main injection is performed as a triple injection with three layer injections.
  • the ignition timing may be after the third main injection stratification or, alternatively, between the first and second or between the second and third stratified injection of the main injection.
  • the pre-injection is a slightly lean fuel-air mixture, in particular, a fuel-air mixture with ⁇ «1.2 is generated in the combustion chamber.
  • the ignition timing corresponds to the usual ignition timing in a conventional homogeneous mode of operation of the internal combustion engine, i. Depending on the operating point of the internal combustion engine, it is preferably between approximately 10 ° CA and approximately 20 ° CA before the upper ignition dead center.
  • the end of the main injection or the first stratified injection of the main injection is about 1 ° CA to 15 ° CA before the ignition point.
  • the pilot injection is also carried out as a multiple injection with a plurality of homogeneous injections.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view through a cylinder of a spark-ignition internal combustion engine with direct fuel injection, wherein the Method according to the present invention can be used;
  • Figure 2 is a schematic representation of the speed of the internal combustion engine over time to explain the relevant time of the operating method according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a first embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of FIG. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a second embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of FIG. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a third embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of FIG. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention.
  • Fig. 6 is a schematic diagram of a fourth embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of Fig. 1, plotted against the crank angle, according to the present invention.
  • Fig. 1 shows a simplified simplified cylinder 12 of a spark-ignition internal combustion engine 10 with
  • a combustion chamber 18 is bounded by a piston 14 and a cylinder head 12 closing the cylinder 12.
  • a fuel injector 20 is centrally arranged, with which Through a nozzle opening 22 fuel can be injected into the combustion chamber 18.
  • a control device determines, inter alia, the injection times of the fuel with the associated fuel quantities and an ignition point at which by means of a spark plug 26 or the like formed in the combustion chamber fuel-air mixture is ignited.
  • the fuel is injected into the combustion chamber 18 in the form of a conical jet 24 with an opening angle between 70 ° and 110 °.
  • the positioning of the spark plug 26 in the combustion chamber 18 is selected such that the electrodes 28 of the spark plug 26 are not wetted by the injected fuel cone 24.
  • the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 preferably operates on the four-stroke principle.
  • a first cycle of a working cycle of the internal combustion engine 10 the so-called intake stroke, combustion air is supplied to the combustion chamber 18 through an inlet channel (not shown).
  • the piston 14 moves in a downward movement to a bottom dead center UT.
  • the piston 14 moves in an upward movement from bottom dead center UT to an upper ignition dead center ZOT.
  • a subsequent expansion stroke the piston 14 moves in a downward movement again to a bottom dead center UT; and in a fourth Ausschiebehub the piston 14 moves in an upward movement to a top dead center TDC, thereby expelling the exhaust gases from the combustion chamber 18.
  • the aim of the method according to the invention is to provide an injection strategy for an internal combustion engine, in a Nachstartphase the internal combustion engine, ie for the time after the engine has stopped until the readiness of the lambda control even at very low temperatures, ie in particular low temperatures of the intake air, a reduced fuel consumption at the same time improved pollutant emission (esp. Of hydrocarbons) and high ignition resistance to ignition to achieve.
  • pollutant emission esp. Of hydrocarbons
  • An important special case in this context is the exhaust gas test prescribed by law at an engine start temperature of -7 ° C.
  • the point in time at which the lambda probes are ready for operation depends on the engine start temperature, since the probes can not be brought to their operating temperature until the probes have been heated by the hot combustion gas so that no more condensation on the ceramic bodies The probes may be located, otherwise there is a risk of stress cracks when heating the probes.
  • the Nachstartphase T goes into the so-called warm-up, in which the now possible mixture control allows stable operation of the internal combustion engine in homogeneous mode.
  • An essential point of the method according to the invention is the division of the injected fuel into two parts, namely into a homogeneous pilot injection M H and a stratified main injection M s .
  • a first amount of fuel is injected in a pilot injection M H , so that in the entire combustion chamber 18, a homogeneous fuel-air mixture with a
  • Fuel-air ratio ⁇ > 1 is formed.
  • a significantly lower fuel quantity is injected and it is intended to produce a slightly lean fuel-air mixture, for example, with ⁇ ⁇ 1.2 in the entire combustion chamber.
  • the amount of fuel condensed on the combustion chamber walls and on the piston crown is significantly lower.
  • the reduced amount of fuel which can not participate in the combustion, significantly reduces the emissions of unburned hydrocarbons.
  • the required amount of fuel to be injected can also be significantly reduced by this injection strategy, which in turn allowed a smaller dimensioning of the required high-pressure pump.
  • the start of injection of the pilot injection M H in the intake stroke of the internal combustion engine 10 substantially corresponds to the start of injection of a conventional homogeneous injection.
  • This start of injection is to be selected so late in the intake stroke that the injection jet no longer hits the cold piston bottom, but on the other hand so early that the longest possible time for homogenization of the fuel-air mixture in the combustion chamber is available.
  • the injection time ZT Shortly before the ignition time ZT, which corresponds to the usual ignition timing in a homogeneous mode of the internal combustion engine 10 and which is depending on the operating point of the internal combustion engine between about 10 ° and about 20 ° CA KW before the upper ignition dead center (ZOT), a second fuel quantity injected in the compression stroke in a main injection M s in the combustion chamber 18 as a stratified injection.
  • the injection time is the
  • Main injection M s coupled to the ignition ZT. This coupling takes place via a distance angle ⁇ dependent on the operating point between the end of the stratified main injection M s and the ignition time ZT.
  • This distance angle ⁇ is preferably in a crank angle range from about 1 ° CA to about 15 ° CA before the ignition time ZT.
  • this stratified main injection M s is the formation of a slightly rich ( ⁇ ⁇ 1), despite the high residual gas content in the combustion chamber 18 safely flammable charge cloud 30 in the vicinity of the spark plug 26 for Ignition timing ZT.
  • the stratified main injection M s at the ignition time ZT provides a reliably flammable charge cloud in the region of the spark plug 26, which, despite the generally lean charge mixture in the combustion chamber 18, leads to stable combustion and thus good smoothness. In this way, thus an operation of the internal combustion engine in the Nachstartphase can be carried out even at low temperatures, in which the fuel consumption is reduced while the emission of hydrocarbons is minimized.
  • the fuel-air ratio ⁇ after the stratified main injection M s averaged over the entire combustion chamber 18 stoichiometric ( ⁇ «1) to slightly lean ( ⁇ « 1.05). While in the first embodiment of FIG. 3 the stratified main injection M s was in the form of a single injection, the stratified main injection M s in the second embodiment of FIG. 4 is performed immediately before the ignition timing ZT as a double injection with first and second stratified injection within a few milliseconds , Due to the clocked execution of the stratified main injection M s as multiple injection, the mixture formation of the rich charge cloud 30 in the region of the spark plug 26 is further improved due to a better mixing of the fuel vapor with the fresh air and thus also the smooth running of the internal combustion engine 10. In addition, the multiple injection also increases the turbulence in the region of the spark plug 26 and thus further stabilizes the combustion.
  • the ignition time ZT can either be only after the second main injection injection M s or between the first and second main injection injection M s .
  • the injection time of the main injection M s is in this case coupled to the ignition time ZT such that the distance angle ⁇ between the end of the first layer injection of the main injection M s and the ignition time as a function of the operating point is preferably about 1 ° CA to about 15 ° CA.
  • the main injection M s is performed as a triple injection with a first, a second and a third layer injection.
  • the distance angle ⁇ between the end of the first stratified injection and the ignition time ZT is also in this case preferably about 1 ° CA to about 15 ° CA.
  • the ignition ZT is optionally effected between the first and the second or between the second and the third stratified injection of the stratified main injection M s or optionally also only after the third stratified injection of the main injection M s .
  • the fourth exemplary embodiment of the invention illustrated in FIG. 6 differs from the third exemplary embodiment of FIG. 5 in that the homogeneous pilot injection M H is also carried out as a multiple injection, in the exemplary embodiment shown as a double injection. Through this homogeneous double injection, the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber is further improved.
  • the present invention is particularly suitable for a spark-ignition internal combustion engine with
  • the advantages of the present invention are in particular the lower pollutant emissions in the post-start phase due to a lower wetting of the combustion chamber walls and the piston crown with condensed fuel; reducing fuel consumption by reducing the necessary mixture enrichment in the post-start phase; an improvement in the running smoothness of the internal combustion engine by improving the flameproofness of the locally rich fresh mixture in the region of the spark plug at the ignition point; and a smaller dimensioning of the necessary high-pressure pump to represent the required cold start fuel delivery and a resulting cost savings.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung in der Nachstartphase bei niedrigen Temperaturen. Zunächst wird eine Voreinspritzung (MH) einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (10) in den Brennraum (18) eingespritzt, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum (18) ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird, und anschliessend wird eine Haupteinspritzung (MS) einer zweiten Kraftstoffmenge in einem Kompressionshub unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennraum (18) eingespritzt, mit welcher im Bereich der Zündkerze (26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ < 1) gebildet wird. Auf diese Weise können die Einspritzmengen in der Nachstartphase der Brennkraftmaschine (10) auch bei niedrigen Temperaturen reduziert werden, was auch eine Reduzierung der Schadstoffemissionen sowie eine kleinere Dimensionierung einer benötigten Hochdruckpumpe ermöglicht.

Description

VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER BRENNKRAFTMASCHINE IN DER NACHSTARTPHASE BEI TEMPERATUREN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung in der Nachstartphase bei niedrigen Temperaturen.
Bei direkteinspritzenden Ottomotoren und bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung wird bei einer konventionellen Einspritzstrategie der Motor in den ersten Sekunden nach einem Kaltstart bei niedrigen Temperaturen von -30°C bis 0°C in der sogenannten homogenen Betriebsart betrieben. Hierbei erfolgt bei dem direkteinspritzenden Ottomotor die Einspritzung in den Brennraum im Ansaughub. Durch die einströmende Ansaugluft und die durch sich abwärts bewegenden Kolben entstehenden Strömungen im Brennraum wird der eingespritzte Kraftstoff gleichmäßig mit der Frischluft vermischt. Die so im Brennraum erzeugte Ladung ist vollständig homogenisiert, d.h. es befindet sich im gesamten Brennraum im Wesentlichen das gleiche Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Um eine sichere Entflammung des Frischgemisches zu gewährleisten, muss das sich in der Nähe der Zündkerze befindende Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Zeitpunkt der Zündung leicht fett sein, d.h. einen leichten Kraftstoffüberschuss aufweisen. Da aber im Homogenbetrieb das Gemisch im gesamten Brennraum gleichmäßig / homogen verteilt ist, muss auch im gesamten Brennraum ein leicht fettes Gemisch erzeugt werden. Dies hat aufgrund des Sauerstoffmangels bei der Verbrennung eine erhöhte Emission an Kohlenmonoxid sowie an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zur Folge. Die nicht vollständige Umsetzung der im Kraftstoff gebundenen Energie bewirkt außerdem einen erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Im Fall eines hier interessierenden Kaltstarts bei sehr niedrigen Temperaturen kondensiert Kraftstoff aus der Frischladung an den noch kalten Brennraumwänden sowie am Kolbenboden in der Nachstartphase. Dieser Kraftstoff steht nicht mehr für die Verbrennung zur Verfügung und muss durch eine vergrößerte Einspritzmenge ausgeglichen werden, um ein Ausmagern des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu verhindern. Ein zu mageres Gemisch würde aufgrund seiner schlechteren Zündfähigkeit bei den nach dem Kaltstart noch niedrigen Brennraumtemperaturen zu einem ungleichmäßigen Motorlauf oder sogar zu Aussetzern führen. Beides ist aus Gründen des Fahrkomforts und der Schadstoffemission nicht akzeptabel .
Der an der Brennraumwand und auf dem Kolbenboden kondensierte Kraftstoff liegt dort in flüssiger Form vor. Er nimmt nicht mehr an der eigentlichen, das Moment erzeugenden Verbrennung teil. Auch der verdampfte Kraftstoff in unmittelbarer Nähe der kalten Brennraumwände nimmt aufgrund des sogenannten Quenchings nicht mehr an der Verbrennung teil . Dabei wird der Verbrennung außerdem durch die kalten Brennraumwände Wärme und damit Energie entzogen. Dies führt zu einer Verlangsamung der Brenngeschwindigkeit bis hin zum Erlöschen der Flamme in der Nähe der Brennraumwand. Es bildet sich eine Schicht unverbrannter Kohlenwasserstoffe vor der Brennraumwand. Während des AusSchiebevorgangs schabt der sich nach oben bewegende Kolben diesen Kraftstoff von der Brennraumwand ab und schiebt ihn unverbrannt durch das offene Auslassventil in den Auslasskanal. Dies hat hohe HC-Emissionen zur Folge.
Auch der nicht an der Verbrennung teilnehmende Kraftstoff muss durch eine vergrößerte Einspritzmenge kompensiert werden, damit in den Bereichen des Brennraums, in denen die Frischladung an der Verbrennung teilnehmen kann, eine ausreichende Kraftstoff- und somit Energiemenge zur Verfügung steht, um das zum Motorlauf benötigte Moment zu erzeugen. Speziell nach einem Kaltstart bei sehr niedrigen Temperaturen erfordert dies sehr hohe Einspritzmengen, die ein Vielfaches der Einspritzmenge bei Volllast betragen können. In diesem Zusammenhang ist es auch von Bedeutung, dass die nach dem Kaltstart benötigte Einspritzmenge die Mindestfördermenge einer elektrischen Kraftstoffpumpe bzw. einer Hochdruckpumpe definiert .
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorzusehen, welches die oben beschriebenen Probleme bei einem herkömmlichen Homogenbetrieb vermeidet . Insbesondere soll das Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine in einer Nachstartphase auch bei sehr niedrigen Temperaturen die erforderliche Einspritzmenge reduzieren, wodurch auch die Schadstoffemissionen weiter reduziert und die Dimensionierung einer benötigten Hochdruckpumpe verkleinert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit
Kraftstoffdirekteinspritzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit
Kraftstoffdirekteinspritzung in der Nachstartphase wird einem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt; in den Brennraum wird mittels eines Kraftstoffinjektors Kraftstoff eingespritzt; und ein in dem Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündkerze zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt gezündet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Voreinspritzung einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird; und dass anschließend eine Haupteinspritzung einer zweiten KraftStoffmenge im Kompressionshub unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze eine geschichtete, fette Kraftstoff-Luft-Wolke (λ < 1) gebildet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die in den Brennraum eingespritzte KraftStoffmenge in der Nachstartphase, d.h. in der Zeit nach dem beendeten Motorstart bis zur Betriebsbereitschaft der Lambda-Regelung, auf zwei Einspritzmengen aufgeteilt. Die Voreinspritzung erfolgt im Ansaughub der Brennkraftmaschine, um im gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Durch die im Vergleich zum konventionellen Homogenbetrieb deutlich geringere Kraftstoffeinspritzmenge ist somit auch die Menge des an den Brennraumwänden angelagerten Kraftstoffes und des Kraftstoffs in Wandnähe, die durch Quenching nicht an der Verbrennung teilnehmen kann deutlich verringert. Durch die reduzierte Kraftstoffmenge, die nicht an der Verbrennung teilnehmen kann, verringern sich die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen deutlich, die einzuspritzende KraftStoffmenge wird deutlich reduziert und damit kann die benötigte Hochdruckpumpe kleiner dimensioniert werden. Mit der Haupteinspritzung im Kompressionshub der Brennkraftmaschine wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich der Zündkerze gebildet, um trotz der mageren Frischladung eine gute Entflammungssicherheit zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Mehrfacheirispritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt. Durch diese Mehrfacheinspritzung wird die Durchmischung des geschichtet eingespritzten Kraftstoffes mit der Frischluft und dem Restgas verbessert, wodurch die EntflammungsSicherheit weiter verbessert wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt entweder nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder wahlweise zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Voreinspritzung ein leicht mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit λ « 1,2 im Brennraum erzeugt wird.
Das Kraftstoff-Luft-Gemisch sollte nach der zweiten Schichteinspritzung gemittelt über den gesamten Brennraum bevorzugt stöchiometrisch (λ = 1) bis leicht mager (λ = 1,05) sein.
Der Zündzeitpunkt entspricht dem üblichen Zündzeitpunkt in einer herkömmlichen homogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine, d.h. er liegt je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bevorzugt zwischen etwa 10°KW und etwa 20°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt das Ende der Haupteinspritzung bzw. der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung etwa 1°KW bis 15°KW vor dem Zündzeitpunkt.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auch die Voreinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert .
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei welcher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Drehzahl der Brennkraftmaschine über die Zeit zur Erläuterung des relevanten Zeitpunkts des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 ein schematisches Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt stark vereinfacht einen Zylinder 12 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 10 mit
Kraftstoffdirekteinspritzung. In dem Zylinder 12 wird ein Brennraum 18 durch einen Kolben 14 und einen den Zylinder 12 verschließenden Zylinderkopf 16 begrenzt. Im Zylinderkopf 16 ist zentral ein Kraftstoffinjektor 20 angeordnet, mit welchem durch eine Düsenöffnung 22 Kraftstoff in den Brennraum 18 eingespritzt werden kann. Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) bestimmt u.a. die Einspritzzeitpunkte des Kraftstoffs mit den zugehörigen Kraftstoffmengen und einen Zündzeitpunkt, an dem mittels einer Zündkerze 26 oder dergleichen ein im Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft- Gemisch gezündet wird.
Bei der Freigabe der Düsenδffnung 2.2 des Kraftstoffinjektors 20 wird der Kraftstoff in Form-eines Kegelstrahls 24 mit einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 110° in den Brennraum 18 eingespritzt. Die Positionierung der Zündkerze 26 im Brennraum 18 ist derart gewählt, dass die Elektroden 28 der Zündkerze 26 durch den eingespritzten Kraftstoffkegel 24 nicht benetzt werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 arbeitet vorzugsweise nach dem Viertakt-Prinzip. In einem ersten Takt eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 10, dem sogenannten Ansaughub, wird dem Brennraum 18 durch einen Einlasskanal (nicht dargestellt) Verbrennungsluft zugeführt. Dabei bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt UT. In einem weiteren Kompressionshub der Brennkraftmaschine 10 bewegt sich der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt ZOT. In einem nachfolgenden Expansionshub bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegung wieder bis zu einem unteren Totpunkt UT; und in einem vierten Ausschiebehub fährt der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung bis zu einem oberen Totpunkt OT, um dabei die Abgase aus dem Brennraum 18 auszuschieben.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Einspritzstrategie für eine Brennkraftmaschine vorzusehen, die in einer Nachstartphase der Brennkraftmaschine, d.h. für die Zeit nach dem beendeten Motorstart bis zur Betriebsbereitschaft der Lambda-Regelung auch bei sehr niedrigen Temperaturen, d.h. insbesondere auch niedrigen Temperaturen der Ansaugluft, einen reduzierten Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig verbesserter Schadstoffemission (insbes. von Kohlenwasserstoffen) und hoher Entflammungssicherheit zum Zündzeitpunkt zu erzielen. Ein wichtiger Spezialfall ist in diesem Zusammenhang der vom Gesetzgeber vorgeschriebene Abgastest bei einer Motorstarttemperatur von -7°C.
Anhand von Fig. 2 wird nachfolgend der Betriebszeitraum erläutert, in welchem die im Folgenden beschriebene Einspritzstrategie der Erfindung relevant ist. Nach Erreichen der Startendedrehzahl der Brennkraftmaschine, d.h. der Drehzahl, bei welcher der Start abgeschlossen ist, beginnt die sogenannte Nachstartphase T. In dieser Nachstartphase entsteht die eingangs beschriebene Problematik bei niedrigen Temperaturen. In dem Maße, in dem sich die Brennraumwände und der Kolbenboden erwärmen, entschärfen sich die genannten Probleme. Bei Erreichen der Betriebsbereitschaft der Lambdasonden kann die Gemischzumessung durch diese übernommen werden, sodass die Gemischzusammensetzung so eingeregelt werden kann, dass der an der Verbrennung teilnehmende Kraftstoff zusammen mit der Frischluft ein stδchiometrisches Kraftstoff-Luft-Verhältnis (λ « 1) ergibt. Der Zeitpunkt, zu dem die Betriebsbereitschaft der Lambdasonden erreicht ist, ist von der Motorstarttemperatur abhängig, da die Sonden erst dann auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden können, wenn die Sonden durch das heiße Verbrennungsgas so weit erwärmt wurden, dass sich kein Kondenswasser mehr auf den Keramikkörpern der Sonden befinden kann, da sonst beim Beheizen der Sonden die Gefahr von Spannungsrissen besteht. Hier geht die Nachstartphase T in den sogenannten Warmlauf über, in welchem die nun mögliche Gemischregelung einen stabilen Betrieb der Brennkraftmaschine in homogener Betriebsart erlaubt.
Anhand der Darstellungen der Fig. 3 bis 6 werden verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei sind jeweils die Einspritzvorgänge ES der Brennkraftmaschine 10 über dem Kurbelwinkel °KW aufgetragen.
Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Aufteilung des eingespritzten Kraftstoffs in zwei Teile, nämlich in eine homogene Voreinspritzung MH und eine geschichtete Haupteinspritzung Ms. Zunächst wird im Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 eine erste Kraftstoffmenge in einer Voreinspritzung MH eingespritzt, sodass im gesamten Brennraum 18 ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem
Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ > 1 gebildet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Homogeneinspritzungen wird eine deutlich geringere Kraf stoffmenge eingespritzt und es soll ein leicht mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Beispiel mit λ ∞ 1,2 im gesamten Brennraum erzeugt werden. Im Vergleich zu dem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch bei herkömmlicher Homogeneinspritzung ist somit die Menge des an den Brennraumwänden und auf dem Kolbenboden kondensierten Kraftstoffs deutlich geringer. Auch in der Grenzschicht in der Nähe der Brennraumwände, die durch Quenching nicht mehr an der Verbrennung teilnehmen kann, befindet sich weniger verdampfter Kraftstoff. Durch die so reduzierte Kraftstoffmenge, die nicht an der Verbrennung teilnehmen kann, verringern sich die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen deutlich. Die benötigte einzuspritzende Kraftstoffmenge kann durch diese Einspritzstrategie ebenfalls deutlich reduziert werden, was wiederum eine kleinere Dimensionierung der benötigten Hochdruckpumpe erlaubt.
Der Einspritzbeginn der Voreinspritzung MH in den Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 entspricht im Wesentlichen dem Einspritzbeginn einer herkömmlichen Homogeneinspritzung. Dieser Einspritzbeginn ist so spät im Ansaughub zu wählen, dass der Einspritzstrahl nicht mehr auf den kalten Kolbenboden trifft, aber andererseits so früh, dass eine möglichst lange Zeit zur Homogenisierung des Kraftstoff-Luft- Gemisches im Brennraum zur Verfügung steht .
Kurz vor dem Zündzeitpunkt ZT, welcher dem üblichen Zündzeitpunkt bei einer homogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 entspricht und welcher je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zwischen etwa 10°KW und etwa 20°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) liegt, wird eine zweite KraftStoffmenge im Kompressionshub in einer Haupteinspritzung Ms in den Brennraum 18 als Schichteinspritzung eingespritzt. Um bei einem strahlgeführten Brennverfahren zum Zündzeitpunkt ZT die für die Zündung optimale Ausbildung des Einspritzstrahls zu gewährleisten, ist der Einspritzzeitpunkt der
Haupteinspritzung Ms an den Zündzeitpunkt ZT gekoppelt. Diese Koppelung erfolgt über einen vom Betriebspunkt abhängigen Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der geschichteten Haupt- einspritzung Ms und dem Zündzeitpunkt ZT. Dieser Abstandswinkel Δ liegt bevorzugt in einem Kurbelwinkelbereich von etwa 1°KW bis etwa 15°KW vor dem Zündzeitpunkt ZT.
Zweck dieser geschichteten Haupteinspritzung Ms ist die Bildung einer leicht fetten (λ < 1) , trotz des hohen Restgasgehaltes im Brennraum 18 sicher entflammbaren Ladungswolke 30 in der Nähe der Zündkerze 26 zum Zündzeitpunkt ZT. Durch die Schaffung optimaler Bedingungen an der Zündkerze 26 zum Zündzeitpunkt ZT wird eine hohe EntflammungsSicherheit erreicht. Aus diesem Bereich kann sich dann die Flammenfront in die Bereiche des Brennraums 18 fortsetzen, in denen das Ladungsgemisch zwar brennbar, aber aufgrund der hohen Restgasrate nicht sicher zündfähig ist. Unter der Annahme, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit in erster Näherung derjenigen des herkömmlichen Homogenbetriebs entspricht, bleiben auch der verbrennungsWirkungsgrad und das entstehende Moment, abgesehen vom Einfluss des mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches, im Wesentlichen konstant.
Durch das in Fig. 2 veranschaulichte und oben beschriebene Einspritzverfahren gemäß der Erfindung wird einerseits durch die homogene Voreinspritzung MH eine minimale Benetzung der Brennraumwände und des Kolbenbodens mit Kraftstoff und damit eine Reduzierung der Einspritzmenge erzielt, was zu einer deutlichen Reduzierung der Emission an Kohlenwasserstoffen führt, und andererseits wird durch die geschichtete Haupt- einspritzung Ms zum Zündzeitpunkt ZT eine sicher entflammbare Ladungswolke im Bereich der Zündkerze 26 zur Verfügung gestellt, was trotz des insgesamt mageren Ladungsgemisches im Brennraum 18 zu einer stabilen Verbrennung und damit einer guten Laufruhe führt. Auf diese Weise kann somit ein Betrieb der Brennkraftmaschine in der Nachstartphase auch bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden, bei dem der Kraftstoffverbrauch reduziert und gleichzeitig die Emission an Kohlenwasserstoffen minimiert ist.
Vorzugsweise ist das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ nach der geschichteten Haupteinspritzung Ms gemittelt über den gesamten Brennraum 18 stöchiometrisch (λ « 1) bis leicht mager (λ « 1,05) . Während im ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 3 die geschichtete Haupteinspritzung Ms in Form einer Einfacheinspritzung erfolgte, wird die geschichtete Haupteinspritzung Ms im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung innerhalb weniger Millisekunden durchgeführt. Durch die getaktete Ausführung der geschichteten Haupteinspritzung Ms als Mehrfacheinspritzung wird die Gemischbildung der fetten Ladungswolke 30 im Bereich der Zündkerze 26 aufgrund einer besseren Durchmischung des Kraftstoffdampfes mit der Frischluft und damit auch die Laufruhe der Brennkraftmaschine 10 weiter verbessert. Außerdem wird durch die Mehrfacheinspritzung auch die Turbulenz im Bereich der Zündkerze 26 erhöht und somit die Verbrennung weiter stabilisiert .
Wie in Fig. 4 angedeutet, kann der Zündzeitpunkt ZT im Fall einer geschichteten Doppeleinspritzung Ms entweder erst nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms oder aber zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms liegen. Der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung Ms ist dabei derart an den Zündzeitpunkt ZT gekoppelt, dass der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms und dem Zündzeitpunkt in Abhängigkeit vom Betriebspunkt bevorzugt etwa 1°KW bis etwa 15°KW beträgt.
Die übrigen Aspekte des zweiten Ausführungsbeispiels und die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 3.
Während im zweiten Ausführungsbeispiel die Haupteinspritzung Ms als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung ausgeführt wird, wird die Haupteinspritzung Ms im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 5 als Dreifacheinspritzung mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Schichteinspritzung durchgeführt. Der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzung und dem Zündzeitpunkt ZT beträgt auch in diesem Fall bevorzugt etwa 1°KW bis etwa 15°KW.
Wie in Fig. 5 dargestellt, erfolgt die Zündung ZT wahlweise zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der geschichteten Haupteinspritzung Ms oder wahlweise auch erst nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung Ms.
Das in Fig. 6 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 5 dadurch, dass auch die homogene Voreinspritzung MH als Mehrfacheinspritzung, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Doppeleinspritzung, ausgeführt wird. Durch diese homogene Doppeleinspritzung wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese homogene Mehrfacheinspritzung MH von Fig. 6 auch mit allen anderen gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, ohne dass dies explizit dargestellt ist.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
Kraftstoffdirekteinspritzung. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere in den geringeren Schadstoffemissionen in der Nachstartphase aufgrund einer geringeren Benetzung der Brennraumwände und des Kolbenbodens mit kondensiertem Kraftstoff; einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch eine Reduzierung der notwendigen Gemischanfettung in der Nachstartphase; einer Verbesserung der Laufruhe der Brennkraftmaschine durch eine Verbesserung der EntflammungsSicherheit des lokal fetten Frischgemisches im Bereich der Zündkerze zum Zündzeitpunkt; und einer kleineren Dimensionierung der notwenigen Hochdruckpumpe zur Darstellung der im Kaltstart geforderten Kraftstofffδrdermenge und einer daraus resultierenden Kosteneinsparung.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung in der Nachstartphase (T) bei niedrigen Temperaturen, bei welchem einem Brennraum (18) Verbrennungsluft zugeführt wird; in den Brennraum (18) mittels eines Kraftstoffinjektors (20) Kraftstoff eingespritzt wird; und ein in dem Brennraum (18) gebildetes Kraftstoff-Luft- Gemisch mittels einer Zündkerze (26) zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt (ZT) gezündet wird, wobei eine Voreinspritzung (MH) einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (10) in den Brennraum (18) eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum (18) ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird; und anschließend eine Haupteinspritzung (Ms) einer zweiten Kraftstoffmenge in einem Kompressionshub unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennraum (18) eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze (26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ < 1) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Doppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung (Ms) als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt (ZT) nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Voreinspritzung (MH) ein leicht mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere ein Kraftstoff- Luft-Gemisch mit λ « 1,2 im Brennraum (18) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung (Ms) gemittelt über den gesamten Brennraum (18) etwa stöchiometrisch (λ « 1) bis leicht mager (λ « 1,05) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZT) zwischen etwa 10°KW und etwa 20°KW vor einem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Haupteinspritzung (Ms) bzw. der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung (Ms) etwa 1°KW bis 15°KW vor dem Zündzeitpunkt (ZT) liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Voreinspritzung (MH) als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt wird.
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