Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1 beziehungsweise 4.

Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines

Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, ist beispielsweise bereits der

DE 102018 000 706 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren weist die

Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Brennraum und eine dem Brennraum zugeordnete Vorkammerzündkerze auf, die eine über mehrere Öffnungen fluidisch mit dem Brennraum verbundene Vorkammer umfasst. Des Weiteren offenbart die

DE 102018209 096 A1 einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff. Der

DE 199 52 829 A1 ist eine Steuerung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem Katalysator als bekannt zu entnehmen. Außerdem ist aus der

DE 102017 125 946 A1 ein System bekannt, umfassend eine Brennkammer, die durch einen Zylinder gebildet wird, der durch einen Zylinderkopf abgeschlossen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die als Ottomotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine in einem Katalysatorheizbetrieb betrieben wird, in welchem ein Zündzeitpunkt, zu welchem innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine in der Vorkammer zu einem Zündzeitpunkt ein Zündfunke zum Zünden eines Kraftstoff-Luft- Gemisches in der Vorkammer und in dem Brennraum erzeugt wird, gegen einen Normalbetrieb nach spät verstellt ist. Dabei ist jedoch ein Einspritzzeitpunkt, zu welchem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die letzte Kraftstoffdirekteinspritzung in den Brennraum durchgeführt wird, in dem Katalysatorbetrieb und in dem Normalbetrieb gleich. Während also der Zündzeitpunkt nach spät verstellt wird, um von dem Normalbetrieb in den Katalysatorheizbetrieb umzuschalten beziehungsweise den Katalysatorheizbetrieb, welcher auch als Kat-Heizbetrieb oder Kat-Heizen bezeichnet wird, im Vergleich zu dem Normalbetrieb einzustellen, und verbleibt ein Verstellen des Einspritzzeitpunkts, um in den Katalysatorheizbetrieb zu wechseln beziehungsweise den Katalysatorheizbetrieb einzustellen.

Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegeben Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der

Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die als Ottomotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine in einem Katalysatorheizbetrieb betrieben wird, in welchem ein Zündzeitpunkt, zu welchem innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine in der Vorkammer ein Zündfunke zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer und in dem Brennraum erzeugt wird, sowie ein Einspritzzeitpunkt, zu welchem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die letzte Kraftstoffdirekteinspritzung in den Brennraum durchgeführt wird, gegenüber einem Normalbetrieb nach spät verstellt sind, wobei in dem Katalysatorbetrieb innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zwischen dem Einspritzzeitpunkt und dem Zündzeitpunkt mehr als 80° Kurbelwinkel liegen, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass in dem Katalysatorheizbetrieb gegenüber dem Normalbetrieb innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels ein zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Einspritzzeitpunkt liegender und auf Kurbelwinkel beziehender Abstand kleiner oder aber größer ist.

Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Mit der Verwendung einer Vorkammerzündkerze in einem Otto-Direkteinspritz-Brennverfahren sollte gewährleistet werden, dass auch mit dieser Zündungstechnologie die Funktion des Katalysatorheizbetriebs nach einem Kaltstart zur Erreichung von Abgasgrenzwerten beziehungsweise zur Realisierung eines besonders emissionsarmen Betriebs gewährleistet ist. Bei Standard-Zündkerzen wird durch eine sogenannte Zündeinspritzung direkt vor dem Zündzeitpunkt mit einem konstanten Abstand zur Zündung eingespritzt, um die notwendige, sehr späte Zündung zu stabilisieren. Erfindungsseitig wird nun durch eine spezielle Einspritzstrategie das Problem gelöst, dass eine Zündeinspritzung bei einer Vorkammerzündkerze nicht wie bei einer Standardzündkerze direkt in den Funkenbereich abgesetzt werden kann. Unter der zuvor genannten Kraftstoffdirekteinspritzung ist insbesondere zu verstehen, dass, insbesondere flüssiger, Kraftstoff mittels eines Injektors direkt in den Brennraum eingespritzt wird.

Um nun beispielsweise in die Vorkammer der Vorkammerzündkerze in einem Katalysatorheizbetrieb zuverlässig brennbares Gemisch zu bringen, sollte applikativ darauf geachtet werden, dass die letzte, oft auch die zweite Einspritzung vor der Zündung so rechtzeitig erfolgt, dass der eingespritzte Kraftstoff genügend Zeit hat, durch die beispielsweise als Überströmbohrungen ausgebildeten Öffnungen der Vorkammerzündkerze in die Vorkammer und in den Funkenbereich zu gelangen, um dort für ein sehr gut zündfähiges Gemisch zu sorgen. Erfindungsseitig wird beispielsweise darauf geachtet, dass dafür ein konstanter Zündzeitpunkt beziehungsweise Einspritzbeginn relativ zur Kurbelwinkelposition gewählt wird oder eine ausreichend große zeitlich konstante Differenz zwischen der letzten Einspritzung und dem Zündzeitpunkt liegt. Insbesondere können durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:

- besser aufbereitetes Kraftstoff-Luftgemisch liegt zum Zündzeitpunkt im Funkenbereich der Vorkammer vor; dadurch werden die Entflammungsbedingungen verbessert, die Verbrennung wird stabilisiert

- keine Verbrennungsaussetzer, die zur Schädigung des Katalysators führen könnten

- höhere Temperatur im Abgas kann erzeugt werden, da bis zum extrem späten Zündzeitpunkt noch eine stabile Verbrennung stattfinden kann, um durch die späten Verbrennungslagen die Thermodynamik derart zu verschlechtern, dass der Katalysator so schnell wie möglich bis zu seinem Arbeitsbereich (Temperaturfenster) erwärmt wird.

Weitere, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnisse hingegen sind, dass mit der Einführung von Piezo-Injektoren zur Kraftstoffdirekteinspritzung die Möglichkeit geschaffen und genutzt wurde, innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels mehrere Einspritzungen abzusetzen, das heißt durchzuführen. Beispielsweise werden bis zu acht Einspritzungen bei niedrigen Drehzahlen durchgeführt, um beispielsweise übermäßige Partikelemissionen zu vermeiden. Speziell für die Betriebsart des Katalysatorheizens kann mit einer Zündeinspritzung gearbeitet werden, die üblicherweise an den Zündzeitpunkt gekoppelt ist und immer den gleichen Abstand von dem Zündzeitpunkt hat. Dieser Abstand beträgt beispielsweise 10° Kurbelwinkel. Mittels der Zündeinspritzung wird eine auch als Kleinstmenge bezeichnete, sehr geringe Menge an Kraftstoff in Richtung der Zündkerze abgesetzt, um im Funkenbereich der als Standard- Zündkerze ausgebildeten Zündkerze zum Zündzeitpunkt eine hinreichend fette Kraftstoffwolke zu erzeugen, die wiederum zu einer stabilen Entflammung führt. Im Katalysatorheizbetrieb mit seinem sehr späten Schwerpunktlagen war und ist die Motorlaufruhe eher ungünstig, wobei nun durch das erfindungsgemäße Verfahren auch während des Katalysatorheizbetriebs eine vorteilhafte Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet werden kann. Durch die Verwendung der Vorkammerzündkerze ist die zündungsgekoppelte Einspritzung nicht mehr wie bei Standard-Zündkerzen umsetzbar, da der Kraftstoff nicht direkt in den Funkenbereich sondern nur auf Umwegen und dabei über die Öffnungen in den Funkenbereich beziehungsweise zu einer Funkenstrecke gelangen kann. Messungen an einem Einzylinderaggregat haben ergeben, dass es nun nicht mehr erforderlich und sinnvoll ist, die Zündeinspritzung sehr kurz vor dem Zündzeitpunkt abzusetzen. Ebenso ist es besser, die letzte Einspritzung nicht mehr an den Zündzeitpunkt zu koppeln und mit Verschiebung des Zündzeitpunkts nicht mehr zu verschieben. Experimentell hat sich ergeben, dass die Strömungsstruktur in der Vorkammer sehr gut und sehr lange erhalten bleibt, sodass man den vorteilhaften Einspritzzeitpunkt für die letzte Einspritzung im Katalysatorheizbetrieb zu einem festen Zeitpunkt definieren kann, um eine besonders vorteilhafte Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.

Die einzige Fig. zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht eine als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine 10 aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein in der Fig. nicht dargestelltes und beispielsweise als Kurbelgehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Gehäuseelement auf, durch welches wenigstens ein Zylinder 12 gebildet oder begrenzt ist. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens einen Kolben 14 auf, welcher translatorisch bewegbar in dem Zylinder 12 angeordnet und demzufolge zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt bewegbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem ein zweites Gehäuseelement 16 auf, welches beispielsweise separat von dem ersten Gehäuseelement ausgebildet und mit dem ersten Gehäuseelement verbunden ist. Das Gehäuseelement 16 ist beispielsweise ein Zylinderkopf, durch welchen ein Brennraumdach 18 gebildet ist. Der Zylinder 12, der Kolben 14 und das Brennraumdach 18 bilden oder begrenzen jeweils teilweise einen Brennraum 20 der als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10. Dem Brennraum 20 ist ein Injektor 22 zugeordnet, mittels welchem unter Ausbildung jeweiliger, beispielsweise als Kegeln oder Keulen ausgebildeten Kraftstoffstrahlen 24 ein, insbesondere flüssiger Kraftstoff, in den Brennraum 20 direkt einspritzbar ist. Das direkte Einspritzen des Kraftstoffs in dem Brennraum 20 wird auch als Direkteinspritzung oder Kraftstoffdirekteinspritzung bezeichnet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als Ottomotor ausgebildet und weist außerdem eine dem Brennraum 20 zugeordnete Vorkammerzündkerze 26 auf, welche eine in der Fig. nicht näher erkennbare Vorkammer aufweist. Die Vorkammer der Vorkammerzündkerze 26 ist über jeweilige, beispielsweise als Bohren ausgebildete Öffnungen 28 fluidisch mit dem Brennraum 20 verbunden und ansonsten vorzugsweise von dem Brennraum 20 getrennt. In der Vorkammer ist eine Elektrodenanordnung angeordnet, mittels welcher insbesondere in einem in der Vorkammer angeordneten Funkenbereich, weicher auch als Funkenstrecke bezeichnet wird, wenigstens ein Zündfunken erzeugbar ist. Zumindest während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 werden innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 der zuvor genannte Kraftstoff und Luft in den Brennraum 20 eingebracht, wodurch in dem Brennraum 20 ein auch als Ladung oder Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Zumindest ein Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann aus dem Brennraum 20 über die Öffnungen 28 in die Vorkammer einströmen. Wird dann beispielsweise in der Vorkammer der Zündfunken insbesondere zu einem Zündzeitpunkt erzeugt, so werden dadurch der in der Vorkammer aufgenommene Teil des Kraftstoff- Luft-Gemisches und das übrige Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum 20 gezündet und in der Folge verbrannt.

Außerdem ist in der Fig. ein dem Brennraum 20 zugeordnetes und beispielsweise als Einlassventil ausgebildetes Gaswechselventil 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 erkennbar. Beispielsweise kann die zuvor genannte Luft insbesondere unter Ausbildung einer in der Fig. durch einen Pfeil 32 veranschaulichten, tumbleförmigen Strömung über das Einlassventil in den Brennraum 20 einströmen, woraus beispielsweise eine tumbleförmige Ladungsbewegung in den Brennraum 20 resultiert.

Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 zu realisieren, wird die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einem Verfahren betrieben, welches im Folgenden erläutert wird. Bei dem Verfahren wird die als Ottomotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 in einem Katalysatorheizbetrieb betrieben, welche gezielt vorgesehen ist beziehungsweise durchgeführt wird, um wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbaren Katalysator aufzuheizen. In dem Katalysatorheizbetrieb ist der Zündzeitpunkt, zu welchem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 in der Vorkammer der Zündfunke zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer und in dem Brennraum 20 erzeugt wird, gegenüber einem sich beispielsweise an den Katalysatorheizbetrieb anschließenden Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 nach spät verstellt, wobei ein Einspritzzeitpunkt, zu welchem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die letzte Kraftstoffdirekteinspritzung in den Brennraum 20 mittels des Injektors 22 durchgeführt wird, in dem Katalysatorheizbetrieb und in den Normalbetrieb gleich ist. Alternativ dazu ist es denkbar, dass der Zündzeitpunkt und der Einspritzzeitpunkt in dem Katalysatorheizbetrieb gegenüber dem Normalbetrieb nach spät verstellt sind, wobei dann in dem Katalysatorheizbetrieb innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zwischen dem Einspritzzeitpunkt und dem Zündzeitpunkt mehr als 80° Kurbelwinkel liegen. Bei dem auch als Kat-Heizbetrieb bezeichneten Katalysatorheizbetrieb wird insbesondere nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 10 die Thermodynamik der Verbrennung absichtlich verschlechtert, um die Abgastemperatur zu erhöhen und dadurch die Aufheizzeit bis zu der auch als Light-Off-Temperatur des Katalysators bezeichnete Arbeitstemperatur des Katalysators zu verkürzen.

Üblicherweise wird hierzu der Zündzeitpunkt nach spät verschoben, und die Verbrennung findet zu einem thermodynamisch ungünstigen späteren Zeitpunkt statt. Eine solch späte Zündung des Gemisches hat in der Regel eine unerwünschte, erhöhte Zyklenschwankung beziehungsweise Laufunruhe zur Folge, die im Extremfall bis zu Verbrennungsaussetzern führen kann. Um die Entflammungsbedingungen auch bei diesen späten Zündzeitpunkten zu verbessern, wendet man bei Einsatz einer Standardzündkerze, insbesondere mit Dachelektrode, eine Mehrfacheinspritzung an, deren in der Regel letzte Einspritzung an den Zündzeitpunkt gekoppelt ist und mit einem konstanten Abstand von circa 10° Kurbelwinkel bis 20° Kurbelwinkel zu diesem Zündzeitpunkt eine kleine Kraftstoff menge in den Funkenbereich der Zündkerze spritzt, wo sie als fette Gemischwolke für eine gute und stabile Entflammung sorgt.

Bei Einsatz einer beziehungsweise der Vorkammerzündkerze kann diese Gemischwolke jedoch nicht direkt in den Funkenbereich gelangen, sondern die Gemischwolke wird bei der Vorkammerzündkerze 26 durch die beispielsweise als Überstrombohrungen ausgebildeten Öffnungen 28 und eine Umlenkung im Eintritt in die Vorkammer und in der Vorkammer in den dort befindlichen Funkenbereich umgeleitet. Dafür ist eine längere Zeit, abhängig von der freien Weglänge von dem auch als Einspritzventil bezeichneten Injektor 22 bis zu der Funkenstrecke in der Vorkammer, der Drehzahl und dem Einspritzdruck notwendig. Entsprechend ist vorzugsweise für den Kat-Heizbetrieb mit der Vorkammerzündkerze 26 eine zündungsgekoppelte letzte Einspritzung mit einem größeren Abstand von 20° Kurbelwinkel bis 100° Kurbelwinkel oder von 30° Kurbelwinkel bis 60° Kurbelwinkel bis 60° Kurbelwinkel vorgesehen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, diese letzte Einspritzung nicht zündungsgekoppelt zu applizieren, sondern zu einem konstanten Zeitpunkt abzusetzen, auch wenn die Zündung zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden kann. Dies hängt mit den Strömungsbedingungen in der Vorkammer zusammen. Ein solcher konstanter Einspritzzeitpunkt für die letzte Einspritzung für den Kat-Heizbetrieb mit einer Vorkammerzündkerze liegt vorteilhafter Weise bei 100° Kurbelwinkel vor dem oberen Zünddruckpunkt bis 10° Kurbelwinkel vor dem oberen Zünddruckpunkt oder von 70° Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt bis 30° Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 14. Bezugszeichenliste

10 Verbrennungskraftmaschine

12 Zylinder

14 Kolben

16 Gehäuseelement

18 Brennraumdach

20 Brennraum

22 Injektor

24 Strahl

26 Vorkammerzündkerze

28 Öffnung

30 Gaswechselventil

32 Pfeil