Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise eines Viertakt-Ottomotors, wobei das Verfahren insbesondere zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine unter Kaltstartbedingungen dient.

Das Kaltstartverhalten, beziehungsweise die Fähigkeit, bei niedrigen Temperaturen überhaupt zu starten, kann bekanntermaßen bei Verbrennungskraftmaschinen dadurch verbessert werden, dass eine erhöhte Menge an Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt wird. Insbesondere bei Kraftstoffen mit schlechtem Verdampfungsverhalten bei niedrigen Temperaturen, z. B. Alkoholkraftstoffen, beziehungsweise bei deren Mischungen mit erdölbasierten Kraftstoffen, kann dabei eine Hochdruckpumpe zum Fördern des Kraftstoffs ihre Fördergrenzen erreichen.

Um dem Problem der begrenzten Fördermengen zu begegnen, schlägt DE 10 2009 037 294 A1 ein Verfahren zum Starten einer mehrzylindrigen direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine vor, bei dem zumindest gruppenweise unabhängig steuerbaren Einspritzventilen in den Zylindern vorgesehen sind, wobei Kraftstoff von mindestens einer Einspritzpumpe über zumindest einen Kraftstoffrail zur Verfügung gestellt wird. Beim Anlassen der Verbrennungskraftmaschine unter Kaltstartbedingungen spritzen die Einspritzventile einer Starterzylindergruppe eine erhöhte Startmenge an Kraftstoff in die Starterzylinder ein. Die Einspritzventile einer Abschaltzylindergruppe spritzen keinen oder weniger als die erhöhte Startmenge an Kraftstoff in die Abschaltzylinder ein. Das bedeutet, dass im Wesentlichen der von der mindestens einen Einspritzpumpe zur Verfügung gestellte Kraftstoff in die Starterzylindergruppe eingespritzt werden kann und nicht auf alle Zylinder der Verbrennungskraftmaschine verteilt wird. Hierdurch soll erzielt werden, dass für jeden einzelnen Zylinder der Starterzylindergruppe eine höhere Menge an Kraftstoff bereitgestellt werden kann.

Die DE 10 2006 025 920 A1 schlägt zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens vor, zusätzlich zu dem normalen Betriebskraftstoff einen Startkraftstoff, welcher eine hinreichende Entzündlichkeit aufweist, um einen Kaltstart der Verbrennungskraftma- schine zu ermöglichen, einzuspritzen. Nachteilig ist hier der erhöhte Bauaufwand für die Speicherung und für die Zuführung eines zweiten Kraftstoffs für die Verbrennungskraftmaschine.

Unter Kaltstartbedingungen im Sinne der Erfindung sind insbesondere solche Bedin- gungen zu verstehen, bei denen die Verbrennungskraftmaschine nicht die Betriebstemperatur erreicht hat, insbesondere, wenn niedrige Umgebungstemperaturen, z. B. Temperaturen unter minus 10 Grad Celsius, vorherrschen. Kaltstartbedingungen liegen insbesondere dann vor, wenn bei einer Haupteinspritzung einer maximal zur Verfügung stehenden Kraftstoffmenge eine nicht ausreichende Kraftstoffmenge ver- dunstet und verdampft werden kann, um eine sichere Entflammung des Kraftstoff- Luft-Gemischs zu ermöglichen. Hierbei beeinflussen die Art und die Qualität des Kraftstoffs, bzw. der Alkohol-, insbesondere Ethanolanteil die Verdampfungseigenschaften und bestimmten somit ebenfalls die Kaltstartbedingungen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache Weise zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung beitragen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkt- einspritzenden Verbrennungskraftmaschine gelöst, bei dem eine Voreinspritzmenge an Kraftstoff eingespritzt wird und für eine Vorverbrennung gezündet wird und in demselben Arbeitszyklus anschließend eine Haupteinspritzmenge an Kraftstoff eingespritzt wird und für eine Hauptverbrennung gezündet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsverfahren, bei denen eine einzige Verbrennung, eine Hauptverbrennung, stattfindet, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in einem Arbeitszyklus eine weitere Verbrennung, die Vorverbrennung, vorgesehen. Ein Arbeitszyklus umfasst hierbei vier Prozessschritte, nämlich Ansau- gen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Durch die Vorverbrennung einer gegenüber der Hauptverbrennung geringeren Kraftstoffmenge nahe dem unteren Totpunkt wird das Gas im Brennraum vor Einleitung der Hauptverbrennung vorgewärmt. Wenn es sich bei dem Arbeitszyklus um einen Viertaktarbeitszyklus handelt, wie bei Ottomotoren, finden die beiden Verbrennungen innerhalb eines halben Arbeitszyklus statt, gegebenenfalls sogar innerhalb eines Taktes, nämlich dem Kompressionstakt, statt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass die Zylinderladung schon früh im Prozess vorgewärmt wird, so dass bedingt durch die sich anschließende Kompression eine deutliche Temperaturerhöhung zum oberen Totpunkt hin resultiert.

Hierbei kann die Voreinspritzmenge vorzugsweise in der Kompressionsphase eingespritzt werden, es ist jedoch auch denkbar, dass die Einspritzung der Voreinspritzmenge bereits in der Ansaugphase startet und bis in den Kompressionstakt hineinreicht oder vor diesem bereits abgeschlossen ist. Je später die Vorverbrennung statt- findet, umso mehr wird die Temperatur bei Erreichen des oberen Totpunktes reduziert. Eine sehr frühe Vorverbrennung, zum Beispiel bereits in der Ansaugphase, führt dazu, dass ein Teil der Ladung infolge der Ausdehnung der Verbrennungsgase wieder ausgeschoben wird. Hierdurch sinkt die Füllung, so dass durch die anschließende Hauptverbrennung ein geringerer indizierter Mitteldruck erzielt werden kann.

Die Voreinspritzmenge wird nahe dem unteren Totpunkt, vorzugsweise zwischen 270° vor dem oberen Totpunkt und 90° vor dem oberen Totpunkt eingespritzt. Weiter bevorzugt findet die Einspritzung der Voreinspritzmenge zwischen 180 ° vor dem oberen Totpunkt und 135° vor dem oberen Totpunkt statt.

Die Voreinspritzmenge an Kraftstoff wird vorzugsweise geschichtet eingespritzt, so dass eine Schichtladung erzielt wird. Somit lässt sich trotz Einspritzung einer geringen Menge an Kraftstoff eine Schicht zündfähigen Kraftstoff-Luftgemischs im Bereich der Zündkerze erzielen. Die Voreinspritzmenge kann auf mehrere Voreinspritzungen aufgeteilt werden, das heißt, es finden mehrere Teilvoreinspritzungen kurz hintereinander statt, die anschließend gezündet werden. Durch das Einspritzen mehrerer Teilvoreinspritzmen- gen wird die Zeitdauer erhöht, zu der ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch in Form einer Schichtladung vorliegt, um ein sicheres Zünden und Verbrennen zu ermöglichen.

Ferner kann vorgesehen sein, dass für die Vorverbrennung mehrfach gezündet wird, also mehrere Zündungen stattfinden. Durch mehrfache Zündungen wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass eine Zündung auf jeden Fall zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch an der Zündkerze vorherrscht.

Die Haupteinspritzmenge wird vorzugsweise in der Kompressionsphase eingespritzt, wobei die Haupteinspritzmenge nahe dem oberen Totpunkt zwischen 90° vor dem oberen Totpunkt und dem oberen Totpunkt eingespritzt wird. Vorzugsweise findet die Einspritzung der Haupteinspritzmenge zwischen 45° vor dem oberen Totpunkt und dem oberen Totpunkt statt. Die Hauptverbrennung findet vorzugsweise bei einer möglichst homogenen Ladung, also einer homogenen Verteilung des Kraftstoff- Luftgemischs im Brennraum, statt. Verbrannt wird bei der Hauptverbrennung die größte Menge an Kraftstoff, so dass während der Hauptverbrennung im Zyklus die Arbeit geleistet wird. Da die Vorverbrennung lediglich der Erwärmung des Brennraums und des darin befindlichen Gases dient, reicht eine geringe Voreinspritzmenge an Kraftstoff aus. Vorzugsweise beträgt die Voreinspritzmenge an Kraftstoff weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 %, der Gesamteinspritzmenge aus Voreinspritzmenge und Haupteinspritzmenge. Besonders vorteilhaft hat sich eine Voreinspritzmenge von etwa 2 % der Gesamteinspritzmenge herausgestellt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Hierin zeigt: Figur 1 den Ablauf von Zündung und Einspritzung beim Start der Verbrennungs- kraftmaschine mit einer Voreinspritzung und einer Zündung für die Vorverbrennung,

Figur 2 den Ablauf von Zündung und Einspritzung beim Start der Verbrennungs- kraftmaschine mit mehreren Teilvoreinspritzungen,

Figur 3 den Ablauf von Zündung und Einspritzung beim Start der Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zündungen für die Vorverbrennung, und Figur 4 den idealisierten Druck- und Temperaturverlauf im Brennraum beim Start der Verbrennungskraftmaschine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei unterschiedliche Abläufe von Zündungen und Einspritzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für einen Viertakt-Otto-Motor. Die Figuren 1 bis 3 zeigen Diagramme, bei denen auf der Abszisse der Kurbelwinkel (KW) in Grad vor dem Totpunkt im Bereich der Zündung, dem Zünd-OT (ZOT), abgetragen ist. Ganz links beginnt der dargestellte Teil des Viertaktarbeitszyklus in der Mitte des dritten Taktes, dem Arbeitstakt, bei 630° vor dem Zünd-OT (ZOT). Ganz rechts endet der dargestellte Teil des Viertaktarbeitszyklus mit dem Abschluss des vierten Takts, dem Kompressionstakt, am Zünd-OT (ZOT) bei 0°.

Auf der Ordinate ist schematisch die Ventilerhebung des Einlassventils und des Auslassventils abgetragen. Die Bewegungen bzw. die Ventilerhebung des Auslassventils ist durch die Kurve 1 dargestellt und die des Einlassventils durch die Kurve 2.

Die Diagramme zeigen insgesamt dreieinhalb Takte des Viertakt-Prozesses. Vom dritten Takt ist lediglich die zweite Hälfte dargestellt, nämlich der Kurbelwinkelbereich von 630° bis 540° vor dem Zünd-OT (ZOT). Während des dritten Taktes wird die Arbeit verrichtet, wobei sich durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs das Gasgemisch ausdehnt und den Kolben nach unten bewegt. Kurz vor Erreichen des unteren Totpunkts (UT) bei 540° vor dem Zünd-OT (ZOT) wird das Auslassventil allmählich geöffnet. Das Auslassventil wird während des vierten Taktes bis ca. zur Erreichung der Hälfte des vierten Takts weiter geöffnet. Am Ende des vierten Takts bei 360° vor Zünd-OT (ZOT) ist das Auslassventil wieder annähernd vollständig ge- schlössen. Während des vierten Taktes werden die Brenngase aus dem Brennraum ausgestoßen, und zwar durch die Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT). Während des ersten Taktes von 360° bis 180° vor Zünd-OT (ZOT) ist das Einlassventil geöffnet, so dass durch die Bewegung des Kol- bens vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) Frischluft angesaugt wird. Im größten Teil des zweiten Taktes, dem Verdichtungstakt, wird das Gas im Brennraum durch die Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt (UT) zum Zünd- OT (ZOT) komprimiert. Während des zweiten Taktes von 180° bis 0° vor Zünd-OT (ZOT) wird nach einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kurz nach dem unteren Totpunkt (UT) bei 180° vor Zünd-OT (ZOT) eine Vorverbrennung

3 durchgeführt. Kurz vor Erreichen des Zünd-OT (ZOT) wird eine Hauptverbrennung

4 durchgeführt.

Bei der Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Figur 1 umfasst die Vor- Verbrennung 3 eine Voreinspritzung 5 und eine Vorzündung 6, die kurz nach der Voreinspritzung 5 stattfindet. Die Voreinspritzung 5 findet in der ersten Hälfte des zweiten Taktes statt, kurz nach Erreichen des unteren Totpunkts (UT), so dass die gesamte Vorverbrennung 3 innerhalb der ersten Hälfte des zweiten Taktes abgeschlossen ist. Die Vorverbrennung 3 dient der Erwärmung der Gase im Brennraum, bevor die Hauptverbrennung 4 stattfindet, um die Temperatur bei Erreichen des Zünd-OT (ZOT) gegenüber einem Viertakt- Prozess ohne Vorverbrennung deutlich zu erhöhen. Die Vorverbrennung 3 dient nicht zur Erzeugung eines Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine. Da die Vorverbrennung 3 im Bereich des unteren Totpunkts (UT) bei 180° vor Zünd-OT (ZOT) bzw. kurz davor oder danach stattfindet, ist zu beachten, dass die Kräfte, die durch die Vorverbrennung 3 auf den Kolben einwirken, nicht zu groß sind, um den Kolben nicht in seiner Aufwärtsbewegung in Richtung zum Zünd-OT (ZOT) abzubremsen.

Da die Vorverbrennung 3 lediglich der Erwärmung des Brennraums dient, reichen sehr geringe Kraftstoffmengen aus. Die Kraftstoffmenge ist durch die Länge des Balkens, der die Voreinspritzung 5 repräsentiert, entlang der Abszisse erkennbar. Die Länge des Balkens der Voreinspritzung 5 entspricht der Zeitdauer der Voreinspritzung 5 und damit der Einspritzmenge. Dasselbe gilt für die Einspritzmenge der Haupteinspritzung 7. Die Längen der Balken sind in den dargestellten Figuren nicht maßstabgetreu. Die Kraftstoffmenge der Voreinspritzung 5 beträgt vorzugsweise ca.

2 % der Gesamteinspritzmenge. Die Gesamteinspritzmenge umfasst sämtliche Einspritzungen eines vollständigen Viertakt-Prozesses, also im vorliegenden Fall der Einspritzmenge der Voreinspritzung 5 und die Einspritzmenge der Haupteinspritzung 7.

Die Hauptverbrennung 4 unterteilt sich in eine Haupteinspritzung 7 und eine Hauptzündung 8, welche kurz vor Erreichen des Zünd-OT (ZOT) stattfinden. Die Hauptverbrennung 4 dient der Drehmomenterzeugung der Verbrennungskraftmaschine.

Figur 1 zeigt eine Ausführung des Verfahrens, bei dem die Vorverbrennung 3 aufgeteilt ist in eine Voreinspritzung 5 und eine Vorzündung 6. Wie in Figur 2 dargestellt, kann die Voreinspritzung 5 auch in Teilvoreinspritzungen 5, 5', 5" aufgeteilt sein, wobei sich die Gesamtmenge der Teilvoreinspritzungen 5, 5', 5" der Gesamtmenge der Voreinspritzung 5 gemäß Figur 1 entsprechen kann. An die einzelnen Teilvoreinspritzungen 5, 5', 5" schließt sich eine einzige Vorzündung 6 an. Durch das Einspritzen mehrerer Teilvoreinspritzmengen wird die Zeitdauer erhöht, zu der ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch in Form einer Schichtladung an der Zündkerze vorliegt, um ein sicheres Zünden und Verbrennen zu ermöglichen.

In der Ausführung des Verfahrens gemäß Figur 3 unterteilt sich die Vorverbrennung

3 in eine Voreinspritzung 5, wie sie auch in Figur 1 dargestellt ist, und in drei Vorzündungen 6, 6', 6". Denkbar ist auch eine Variante, bei der mehrere Teilvoreinspritzungen stattfinden und mehrere Vorzündungen. Durch mehrfache Zündungen wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass eine Zündung auf jeden Fall zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch an der Zündkerze vorherrscht.

Figur 4 zeigt den Temperaturverlauf 9 und den Druckverlauf 10 innerhalb des Brenn- raums über den Kurbelwinkel (KW). Ferner ist schematisch die Ventilerhebung des Einlassventils und des Auslassventils dargestellt. Erkennbar ist, dass zum Zeitpunkt kurz nach Erreichen des unteren Totpunkts (UT) bei 180° vor Zünd-OT (ZOT), das heißt, im Bereich der Vorverbrennung 3 gemäß einer der Ausführungen nach den Figuren 1 bis 3, ein deutlicher Temperaturanstieg 9 zu verzeichnen ist. Der Druckan- stieg 10 zum selben Zeitpunkt ist jedoch verhältnismäßig gering, was darauf hindeutet, dass die Kraft auf den Kolben entgegen seiner Bewegungsrichtung gering ist und nur einen geringen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine hat.

Bezugszeichenliste

1 Ventilerhebung des Auslassventils

2 Ventilerhebung des Einlassventils

3 Vorverbrennung

4 Hauptverbrennung

5, 5', 5" Voreinspritzung

6, 6', 6" Vorzündung

7 Haupteinspritzung

8 Hauptzündung

9 Temperaturverlauf

10 Druckverlauf

KW Kurbelwinkel

OT oberer Totpunkt

UT unterer Totpunkt

ZOT Zünd-OT