Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzün- dung werden oftmals homogene magere Kraftstoff/Luft-Gemische zur Selbstzündung gebracht, so dass hohe Wirkungsgrade und verbesserte Abgasemissionen erzielt werden. Bei solchen soge- nannten HCCI-bzw. PCCI-Brennkraftmaschinen, auch als Brenn- kraftmaschinen mit Raumzündverbrennung bekannt, wird in der Regel bei Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraft- stoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet und selbstgezündet.

Bei Volllast wird häufig ein stöchiometrisches Gemisch gebil- det und fremdgezündet, denn bei hohen Lasten könnten durch die Selbstzündung steile Druckanstiege im Brennraum auftre- ten, welche zu einer Beeinträchtigung des Betriebs führen würden.

Nach heutigem Stand der Technik ist eine gezielte Steuerung der oben beschriebenen Raumzündverbrennung nur schwer zu er- reichen, da der Zeitpunkt der Selbstzündung sehr stark von den motorischen Parametern und den Umgebungsbedingungen ab- hängt. Weiterhin wird eine Optimierung der Verbrennung hin- sichtlich der Abgastemperaturen, insbesondere durch die un- terschiedliche Auslösung der Zündung erschwert, da ein besse- rer Wirkungsgrad bei einer Kompressionszündung erzielt wird als bei einer Fremdzündung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem ein wirkungsgradoptimierter Betrieb sowohl in einem Selbstzün- dungsmodus als auch in einem Fremdzündungsmodus gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Brennraum einer Brennkraftmaschine, die betriebs- punktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, Abgas während eines Kompressionszündungsmodus zurückgehalten wird, welches während eines Ladungswechsels komprimiert wird, wobei eine erste Kraftstoffmenge in das zu- rückgehaltene Abgas eingespritzt wird. Nachfolgend wird dem Brennraum eine zweite Kraftstoffmenge zugeführt, so dass im Brennraum ein homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet wird. Erfindungsgemäß wird im Kompressionszündungsmodus ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Fremdzündungsmodus ein- gestellt. Vorzugsweise wird die Einstellung des Verdichtungs- verhältnisses durch eine Veränderung des Brennraumvolumens vorgenommen.

Durch die vorliegende Erfindung wird bei einer Raumzünd- verbrennung die Einstellung eines lastabhängigen Verdich- tungsverhältnisses vorgenommen, so dass ein lastabhängig op- timierter Wirkungsgrad und insbesondere eine bestmögliche Konvertierungsrate eines nachgeschalteten Katalysators durch die Einstellung einer gewünschten Abgastemperatur erzielt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung können während des Kompressionszündungsbetriebs, insbesondere bei kleinen und mittleren Lasten, hohe Verdichtungsverhältnisse eingestellt werden, wobei während des Fremdzündungsbetriebs, insbesondere bei hohen Lasten, eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine durch niedrigere Verdichtungsverhältnisse verringert wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird während des Kom- pressionszündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 10 und 20, insbesondere zwischen 12 und 16 eingestellt. Durch das hohe Verdichtungsverhältnis wird im Kompressionszündungs- betrieb eine notwendige Temperatur am Ende eines Kompressi- onshubs erzielt, so dass insbesondere bei kleinen und mittle- ren Lasten die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden. Alternativ kann im Kompressionszündungsbe- trieb eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses zur Er- höhung der Abgastemperaturen, insbesondere zur Aufheizung ei- nes Abgaskatalysators auf eine bestimmte Betriebstemperatur, vorgenommen werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Fremdzündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 8 und 12 eingestellt. Hierdurch wird eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine insbesondere im Volllastbetrieb verrin- gert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Kompressionszündungsmodus ein Selbstzündungszeitpunkt des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches in Abhängigkeit von einem Mengen- verhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge einge- stellt. Vorzugsweise wird das Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge von 1 : 100 bis 2 : 1, insbesondere von 1 : 5 bis 1 : 3 eingestellt.

Die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge ins zurückgehal- tene Abgas bewirkt eine optimale Homogenisierung bzw. eine Vorkonditionierung der ersten Kraftstoffmenge, welche zu ei- ner Erhöhung einer Gemischreaktivität des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft- Gemisches führt. Hierdurch wird das Einsetzen der Selbstzün- dung, insbesondere bei Betriebspunkten mit geringer Abgastem- peratur begünstigt. Vorzugsweise wird die erste Kraftstoff- einspritzung zwischen einem Schließen eines Auslassventils und einem Öffnen eines Einlassventils vorgenommen. Je nach Einspritzzeitpunkt der ersten Kraftstoffmenge kann der Vor- konditionierungseffekt über die reine Homogenisierung hinaus gehen. Wenn insbesondere der Kraftstoff vor dem oberen La- dungswechsel-Totpunkt ins zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird, das auch Restluft enthält, kann es zu umsetzungsartigen Reaktionen kommen, durch die die Gemischtemperatur beein- flusst, insbesondere erhöht werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Schwerpunktlage der Verbrennung mittels einer Einspritzung einer dritten Kraftstoffmenge eingestellt, die nach Beendi- gung der Einspritzung der zweiten Kraftstoffmenge und vor- zugsweise vor einem oberen Zünd-Totpunkt vorgenommen wird.

Die dritte Kraftstoffmenge zielt insbesondere bei hohen Las- ten auf eine Minderung der Reaktivität der Gesamtzylinderla- dung ab. Hierdurch sollen große Brenngeschwindigkeiten bzw. hohe Druckanstiege im Brennraum vermindert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Dauer der Verbrennung in Abhängigkeit von der dritten Kraftstoff- menge und ihrem Einspritzzeitpunkt eingestellt. Mit der durch die dritte Kraftstoffmenge erzielten Verminderung der Ge- mischreaktivität wird ein Durchbrennen der Zylinderladung verlangsamt, so dass je nach Einspritzzeitpunkt der dritten Kraftstoffmenge die Verbrennungsdauer lastabhängig optimiert werden kann.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen schematischen Verlauf einer Zylinderladungstem- peratur einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Verdichtungsverhältnis, Fig. 2 einen schematischen Abgastemperaturverlauf einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Be- triebspunkt und einem Verdichtungsverhältnis, Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer Zylinderdruckdiffe- renz in Abhängigkeit von einem Verdichtungsverhältnis und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Betriebsstrategie zur Einstellung eines Verdichtungs- verhältnisses in Abhängigkeit von einem Betriebsmo- dus.

Eine beispielhafte Brennkraftmaschine mit Raumzündverbrennung umfasst vorzugsweise vier oder mehr Zylinder, in denen je- weils ein längsverschieblich gehaltener Kolben geführt und ein Brennraum zur Verbrennung von Luft mit einem Kraftstoff gebildet ist. Der Brennraum der Brennkraftmaschine wird von einem Zylinderkopf nach oben hin abgeschlossen, wobei der Kolben den Brennraum nach unten hin begrenzt. Die Brennkraft- maschine umfasst pro Brennraum mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, einen Kraftstoffinjektor und eine Zündquelle, die vorzugsweise als eine Zündkerze ausge- bildet ist.

Die Brennkraftmaschine arbeitet nach dem 4-Takt-Prinzip, wo- bei sie lastpunktabhängig ottomotorisch, d. h. mit Fremdzün- dung, oder in einem Selbstzündungsmodus betrieben werden kann. Bei einem 4-Takt-Verfahren entspricht ein Takt einem vollen Kolbenhub. Das aus vier Takten bestehende Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine entspricht einem Verbrennungszyklus, wobei ein Verbrennungszyklus mit einem ersten Ansaugtakt bei einem oberen Ladungswechsel-Totpunkt beginnt, bei dem sich der Kolben in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Tot- punkt bewegt. Beim Ansaugtakt wird dem Brennraum Verbren- nungsluft zugeführt, wobei erfindungsgemäß in einem Ausschie- betakt eines vorherigen Arbeitsspiels eine bestimmte Menge an Abgas im Brennraum zurückgehalten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zielt zunächst darauf ab, den Betrieb der Brennkraftmaschine mittels einer Variation des Verdichtungsverhältnisses zu optimieren. Die Raumzündverbren- nung ist insbesondere vom Temperaturniveau während der Kom- pression und von der am Ende der Kompression erreichten Tem- peratur abhängig. Über das Verdichtungsverhältnis kann auf diese Größen Einfluss genommen werden. Weiterhin kann durch eine Variation des Verdichtungsverhältnisses ein Druckanstieg im Zylinder infolge der Verbrennung sowie die Abgasemissionen optimiert werden.

In Fig. 1 ist die Abhängigkeit einer Zylinderladungstempera- tur am Ende des Kompressionstakts vom Verdichtungsverhältnis dargestellt. Hier wird deutlich, wie das Temperaturniveau mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis ansteigt. Erfindungsgemäß wird bei kleinen und mittleren lasten ein hohes Verdichtungs- verhältnis gemäß Fig. 4 eingestellt, so dass die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden können.

Vorzugsweise kann bei niedrigen Lasten zur Einstellung einer Betriebstemperatur eines nachgeschalteten Katalysators vorü- bergehend bzw. während einer Aufheizphase des Katalysators ein geringeres Verdichtungsverhältnis als ein maximal ein- stellbares Verdichtungsverhältnis eingestellt werden. In Fig.

2 ist die Abhängigkeit der Abgastemperatur in Abhängigkeit vom gefahrenen Betriebspunkt und vom eingestellten Verdich- tungsverhältnis dargestellt.

Erfindungsgemäß soll gemäß Fig. 2 eine lastabhängige Einstel- lung des Verdichtungsverhältnisses erzielt werden. Hierzu ist in Fig. 4 eine Betriebsstrategie gemäß der Erfindung darge- stellt. Dabei wird eine Verstellung des Verdichtungsverhält- nisses e in Abhängigkeit vom eingestellten Verbrennungsmodus vorgenommen. Bei kleinen und mittleren Lasten während des Kompressionszündungsbetriebs (RZV) wird ein Verdichtungsver- hältnis zwischen 10 und 20, vorzugsweise zwischen 12 und 16 eingestellt. Durch das hohe Verdichtungsverhältnis wird im Kompressionszündungsbetrieb eine notwendige Temperatur am En- de eines Kompressionshubs erzielt, so dass die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden. Alternativ kann im Kompressionszündungsbetrieb eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses zur Erhöhung der Abgastemperaturen, insbesondere zur Aufheizung eines Abgaskatalysators auf eine bestimmte Betriebstemperatur, vorgenommen werden. Dagegen wird gemäß Fig. 4 während des Fremdzündungsbetriebs (Otto- Betrieb) ein Verdichtungsverhältnis zwischen 8 und 16, insbe- sondere zwischen 8 und 12 eingestellt. Hierdurch wird eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine insbesondere im Vollast- betrieb verringert.

Wahlweise wird die Brennkraftmaschine bei hohen Lasten, ins- besondere im Volllastbereich ottomotorisch betrieben, d. h. die Zylinderladung wird fremdgezündet. Erfindungsgemäß wird während des ottomotorischen Betriebs ein hohes Verdichtungs- verhältnis vermieden, da hierdurch zu hohe Druckanstiege, insbesondere bei gleichen Brenngeschwindigkeiten, verursacht werden (vgl. Fig. 3).

Vorzugsweise wird die Veränderung des Verdichtungsverhältnis- ses mechanisch vorgenommen, d. h. das Volumen des Brennraums wird je nach Lastpunkt verändert. Hierzu können viele in der Praxis bereits erprobte Möglichkeiten zur Darstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses herangezogen werden. Bei- spielsweise kann ein veränderliches Brennraumvolumen durch eine Verschiebung des Zylinders bzw. des Zylinderkopfes vor- genommen werden. Hierzu gibt es unterschiedliche Möglichkei- ten. Beispielsweise könnte durch eine Kurbelwelle, die sich in exzentrischen Lagern dreht, eine unterschiedliche Einstel- lung des Verdichtungsverhältnisses vorgenommen werden. Hier wird durch eine Drehung der Exzenter eine vertikale Position der Lager verändert und somit der obere und untere Torpunkt des Kolbens verschoben. Dabei kann die Verschiebung einer Kurbelwellenachse an Steuer-und Abtrieb ausgeglichen werden.

Die mechanische Verwirklichung eines veränderlichen Verdich- tungsverhältnisses ist frei wählbar und kann beliebig vorge- nommen werden.

Erfindungsgemäß wird während des Kompressionszündungsbetriebs mittels einer ersten Einspritzung, die in den mit zurückge- haltenem Abgas gefüllten Brennraum eingebracht wird, eine be- stimmte Gemischreaktivität eines aus der ersten und einer nachfolgenden zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraft- stoff/Luft-Gemisches eingestellt. Hierdurch wird das Einset- zen der Selbstzündung geregelt bzw. gesteuert. Dies ist ins- besondere bei Betriebspunkten mit geringer Abgastemperatur vorteilhaft, da ein zuverlässiger Betrieb der Brennkraftma- schine mit Kompressionszündung auch in unteren Drehzahl-und Lastbereichen ermöglicht wird.

Durch die erste Kraftstoffmenge steht für eine anschließende Hauptverbrennung ein höheres Energie-bzw. Temperaturniveau zur Verfügung, wodurch ein Energieverlust aufgrund der klei- neren umgesetzten Kraftstoffmenge bei der Realisierung nied- riger Motorlasten kompensiert werden kann. Dadurch wird der mit Kompressionszündung gefahrene Betriebsbereich vergrößert, so dass weiterhin verbesserte Abgasemissionen beispielsweise bei Leerlauf erzielt werden können.

Vorzugsweise wird die erste Kraftstoffeinspritzung zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlass- ventils vorgenommen. Alternativ kann die erste Kraftstoffmen- ge in das im Brennraum zurückgehaltene Abgas während des Ausschiebetakts der Brennkraftmaschine zwischen dem Schließen des Auslassventils und 270°KW vor einem oberen Zünd-Totpunkt eingespritzt werden.

Alternativ kann die erste Kraftstoffmenge in einem Bereich zwischen dem Schließen des Auslassventils und einem Ladungs- wechsel-Totpunkt in den Brennraum eingebracht werden. Hier- durch werden die Umsetzungsartigen Reaktionen bei der ersten Kraftstoffeinspritzung erhöht. Die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge führt zu umsetzungsartigen Reaktionen, mit denen die Gemischendtemperatur beeinflusst wird. Somit kann der Selbstzündzeitpunkt beeinflusst werden. Vorzugsweise be- trägt die erste Kraftstoffmenge zwischen 0% und 30% der Ge- samtkraftstoffmenge, wobei die zweite Kraftstoffmenge zwi- schen 40% und 100% der Gesamtkraftstoffmenge betragen kann.

Durch die Einbringung der zweiten Kraftstoffmenge in den Brennraum wird das Hauptgemisch gebildet, das im Kompressi- onstakt verdichtet wird. Während des Kompressionstaktes be- wegt sich der Kolben in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt bis zum oberen Zünd-Totpunkt. Das gebildete Hauptge- misch wird in einem Bereich des oberen Zünd-Totpunkts durch die vorliegende Kompression gezündet. Erfindungsgemäß kann der Selbstzündungszeitpunkt des aus der ersten und der zwei- ten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemischs in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zwei- ten Kraftstoffmenge eingestellt werden. Eine besonders vor- teilhafte Vorkonditionierung des Hauptgemisches stellt sich bei einem Mengenverhältnis zwischen 1 : 5 und 1 : 3 ein. Vorzugs- weise wird die zweite Kraftstoffmenge in einem Bereich zwi- schen 300°KW und 120°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt in den Brennraum eingespritzt.

Während der noch laufenden Verbrennung des Hauptgemisches ex- pandiert der Kolben in einer Abwärtsbewegung bis zu einem un- teren Totpunkt. Die Schwerpunktlage der Verbrennung kann er- findungsgemäß mittels einer Einspritzung einer dritten Kraft- stoffmenge optimiert werden. Wahlweise findet die Einsprit- zung der dritten Kraftstoffmenge vor oder nach dem Einsetzen der Selbstzündung statt, wobei vorzugsweise vor dem oberen Zünd-Totpunkt eingespritzt wird, so dass die Reaktivität des Hauptgemisches bzw. der Gesamtzylinderladung vermindert bzw. verändert werden kann. Die dritte Kraftstoffeinspritzung kann in vorteilhafter Weise die Dauer der Verbrennung in Abhängig- keit von ihrem Einspritzzeitpunkt und/oder ihrer Menge steu- ern. Hierdurch werden steile Druckanstiege im Brennraum ver- hindert und somit bessere Abgasemissionen erzielt. Vorzugs- weise beträgt die dritte Kraftstoffmenge zwischen 10% und 30% der Gesamtkraftstoffmenge.

Im darauf folgenden Ausschiebetakt fährt der Kolben in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Ladungswechsel-Totpunkt und schiebt die Abgase aus dem Brennraum aus. Während des Auss- chiebetakts wird das Auslassventil geöffnet, so dass die Ab- gase aus dem Brennraum ausgeschoben werden, wobei durch ein frühzeitiges Schließen des Auslassventils eine bestimmte Men- ge an Abgas im Brennraum zurückgehalten wird.

Durch die erfindungsgemäße Verstellung des Verdichtungsver- hältnisses in Kombination mit der erfindungsgemäßen Ein- spritzstrategie kann die Brennkraftmaschine im wesentlichen in allen Lastbereichen mit Kompressionszündung und mit Fremd- zündung mit einem optimierten Wirkungsgrad betrieben werden, ohne dass es zu Zündaussetzern kommt. Somit wird der Betrieb einer HCCI-Brennkraftmaschine bei kleinen Lasten ermöglicht, wobei durch die Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei hohen Lasten steile Druckanstiege und Klopfen im Fremd- zündungsbetrieb vermieden werden.