Um bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung sowohl hohe Dreh- momente und Leistungswerte als auch einen geringen Verbrauch im Teillastbereich zu erreichen, wird innerhalb eines Motorkennfelds ein Mixbetrieb in der Art realisiert, dass im oberen Drehzahl-und Lastbereich ein homogenes stö- chiometrisches Gemisch (Luftverhältnis X t 1) und im mittle- ren und unteren Drehzahl-und Lastbereich ein Schichtlade- betrieb mit einer weitgehend ungedrosselten Luftzufuhr ( > 1) und einer verbrauchsgünstigen Ladungsschichtung vor- liegt.

In der Praxis werden Fahrzeugmotoren im wesentlichen im Teillastbereich betrieben. Deshalb sollte grundsätzlich in einem Kennfeldbereich, in dem der Motor hauptsächlich be- trieben wird, eine möglichst verbrauchsgünstige Ladungs- schichtung vorgenommen werden. Es bestehen jedoch techni- sche Gründe, die den Betrieb mit Schichtladung der Brenn- kraftmaschine im Kennfeld begrenzen. So ergibt sich bei- spielsweise ab einem mittleren indizierten Druck von ca. 4 bar eine zunehmende Emission an Rußpartikeln, da für die größeren Kraftstoffmassen dann die Zeit für eine vollstän- dige Verdampfung nicht mehr ausreicht. Beim Schichtladebetrieb kann es bei einer nicht optimierten Gemischbildung durch Toleranzabweichungen und zyklische Schwankungen zu Zündaussetzern kommen, die aus vielen Grün- den als sehr problematisch bezüglich der Abgasemissionen, des Verbrauchs und des Fahrkomforts insbesondere bei nied- rigen Drehzahlen einzustufen sind.

Es ist ein Konzept eines aufgeladenen Otto-Motors mit Di- rekteinspritzung bekannt (Kraftfahrwesen und Verbrennungs- motoren/3. Stuttgarter Symposium : 23. -25. Februar 1999, Hrsg. von Michael Bargende und Jochen Wiedemann-Renningen- Malmsheim, Expertverlag 1999 ; Vortrag : Konzept eines aufge- ladenen DI-Ottomotors, U. Mayerhofer, G. Fraidl, W. Piock und M. Wirth, AVL List GmbH, Graz ; Seite 171-182), das zu einer Reduzierung der Abgasemissionen und des Kraftstoff- verbrauches führen soll. Bei diesem Konzept wird der Motor bei niedrigen und mittleren Lasten im Schichtladebetrieb betrieben. Um den Motor bei niedrigen Lasten mit Schichtla- dung zu betreiben, wird eine Brennraumgestaltung vorgenom- men, die sich für den Homogenbetrieb nicht besonders gut eignet, und zu einigen Nachteilen bei höheren Lasten führt.

Der Schichtladebetrieb führt somit zu theoretischen Verbrauchsvorteilen, welche infolge von Zündinstabilitäten und Rußproblematik nur in einem kleinen Bereich des Kenn- feldes realisierbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fremdgezün- dete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung derart zu gestalten, dass in einem möglichst großen Drehzahl-und Lastbereich eine verbrauchsniedrige und abgasemissionsarme Verbrennung erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkma- len des Anspruchs 5 gelöst.

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, einem Zylinderkopf, einem Kolben, einem von einer Innenseite des Zylinderkopfes und dem Kolben begrenzten Brennraum, einem Einlassventil, einem Auslassventil, einer Zündvorrichtung, und einer Auf- ladevorrichtung vorgeschlagen, bei dem mittels der Auflade- vorrichtung Luft komprimiert und über mindestens ein Ein- lassventil dem Brennraum zugeführt wird, wobei durch einen Injektor Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzt wird, und bei niedriger und/oder mittlerer Last in einem Homogen-Betrieb der Brennkraftmaschine ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum mit einem Luftverhält- nis () größer als 1, 1 gebildet wird, und bei hoher Last im Homogen-Betrieb der Brennkraftmaschine ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum mit einem Luftverhält- nis (X) kleiner oder gleich 1 gebildet wird.

Erfindungsgemäß wird im unteren und mittleren Lastbereich zumindest zeitweise im Homogen-Betrieb der Brennkraftma- schine das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum mit einem Luftverhältnis X größer als 1 gebildet. Durch die Kombina- tion der Direkteinspritzung und der Aufladung erfolgt eine Verschiebung des Lastkollektivs zu höheren Lasten, womit durch den Magerbetrieb im unteren und mittleren Lastbereich in Verbindung mit einem stöchiometrischen und/oder fetten Betrieb bei höheren Lasten größeres Verbrauchspotential er- schlossen werden kann, wobei gleichzeitig der Brennkraftma- schinenraum reduziert und der Wirkungsgrad erhöht wird.

In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes im Ansaughub und/oder in einem Anfangsteil des Kompressionshubs der Brennkraftmaschine. Durch die frühe Einspritzung wird ein homogenes Gemisch gebildet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ein- spritzung des Kraftstoffes getaktet. Dadurch kann die Kraftstoffmenge in Teilmengen eingebracht, und somit eine Wandbenetzung mit Kraftstoff verhindert bzw. eine günstige- re Kraftstoffverteilung erzielt werden.

Um eine optimale Homogenisierung zu erzielen, erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes bei einer zentralen Anordnung des Kraftstoffinjektors im Brennraum derart, dass ein Kraftstoffstrahlkegel mit einem Winkel von etwa 90°gebildet wird, wobei eine Anpassung von 20° in Abhängigkeit von der Brennraumgestaltung vorgenommen werden kann. Bei einer seitlichen Anordnung des Kraftstoffinjektors im Brennraum erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs derart, dass ein Kraftstoffstrahlkegel mit einem Winkel von etwa 70°gebildet wird, wobei ebenfalls eine Anpassung von 20° in Abhängig- keit von der Brennraumgestaltung vorgenommen werden kann.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Brennkraftmaschine vorgese- hen, welche einen Zylinder, einen Zylinderkopf, einen Kol- ben, einen von einer Innenseite des Zylinderkopfes und dem Kolben begrenzten Brennraum, ein Einlassventil, ein Aus- lassventil und eine Zündvorrichtung aufweist, wobei der Kraftstoff in den Brennraum durch einen Injektor direkt in den Brennraum einspritzt wird. Ein Lader ist zur Komprimie- rung der Verbrennungsluft vorgesehen. Der Injektor ist etwa im zentralen Bereich des Zylinderkopfs angeordnet, wobei der kleinste Abstand zwischen einer Injektorauslassöffnung und einer Zylinderachse kleiner als 10 mm und der einge- schlossene Winkel zwischen der Injektorachse und einer Zy- linderachse kleiner 20° sind. Weiterhin weist der Kolben eine Mulde auf, deren Tiefe vorzugsweise maximal 5 mm be- trägt.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Injektors im Brennraum ermöglicht eine vorteilhafte Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, so dass schnell ein homogenes Gemisch aufbereitet wird.

Die Vorteile der Entwicklung eines aufgeladenen Ottomotors mit direkter Einspritzung sind, die Fahrleistungen insbe- sondere bei niedrigen Drehzahlen zu steigern, und gleich- zeitig den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Durch die Aufladung der Brennkraftmaschine wird eine spürbare Leis- tungssteigerung erzielt, wobei der Hubraum für eine be- stimmte Fahrleistung dementsprechend reduziert werden kann (Downsizing). Dabei wird die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft derart verdichtet, dass pro Arbeitspiel ei- nen größere Masse in den Brennraum gelangt. Somit wird der mittlere spezifische Druck im Zylinder angehoben und die Leistung gesteigert. Das führt zu einer Verbrauchsreduzie- rung, da sich das Lastkollektiv zu höheren Mitteldrücken verschiebt.

Um ein homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch zu erreichen, wird Kraftstoff bereits sehr früh, und zwar noch während des An- saughubs direkt in den Brennraum der Hubkolbenbrennkraftma- schine eingespritzt. Alternativ kann sich die Kraftstoff- einspritzung bis zum Anfangsteil des Kompressionshubes erstrecken. Dadurch wird die angesaugte Luftmenge sehr schnell mit dem Kraftstoff vermischt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung fördert ein Lader die verdichtete Verbrennungsluft in ein Ansaugrohr einer Vier- Takt-Brennkraftmaschine und weiter durch den Einlasskanal in den Brennraum. Im Ansaugrohr ist eine Regeleinrichtung angeordnet, welche die geförderte aufgeladene Luft in Ab- hängigkeit von Betriebsparametern regelt.

Im Ansaugrohr sind vorzugsweise Einbauten zur Erzeugung ei- nes Dralls wie z. B. Drallsteuerventile oder Steuerklappen bzw. geeignete Drosselorgane angeordnet. Beim Einsatz von zwei Einlasskanälen kann ein Drall ferner durch eine Kanal- abschaltung erzeugt werden. Dadurch kann die Homogenisie- rung und die Ladungsbewegung des Gemisches im Brennraum verstärkt werden. Alternativ zur Turbulenzerhöhung oder Drallerzeugung kann durch eine geeignete Vorrichtung im An- saugrohr ein variabler Tumble, d. h. eine walzenförmige La- dungsbewegung im Brennraum, z. B. durch eine Tumbleklappe erzielt werden.

Die Intensivierung der Ladungsbewegung führt zu einem bes- seren Klopfverhalten der Brennkraftmaschine. Ferner wird durch das besser homogenisierte Gemisch bei Teillast das Auftreten von Zündaussetzern und unvollständiger Verbren- nung verhindert. Dabei wird auch die Bildung von Rußparti- keln im Vergleich zu einem Schichtladebetrieb minimiert.

Als Lader kann ein Kreiselverdichter oder volumetrischer Verdichter dienen. Diese können von einer Abgasturbine oder mechanisch von der Brennkraftmaschine über ein Getriebe o- der von einem separaten Elektromotor angetrieben werden. Um eine optimale Anpassung des Laderverhaltens ans Kennfeld der Brennkraftmaschine zu erzielen, weist die Abgasturbine vorzugsweise ein integriertes Wastegate auf. Eine Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG) oder mit einer variablen Schiebehülse (VST) ermöglicht des Weiteren eine optimale Anpassung des Laderverhaltens ans Kennfeld der Brennkraftmaschine. Dabei kann das Turbinenrad aus einem Keramikwerkstoff bestehen.

Vorzugsweise wird der Lader in der Teillast als eine Kalt- luft-Tubine betreiben (daley optimized turbo charger (DOT)), so dass der Rotor des Abgasturboladers auf einem höheren Drehzahlniveau läuft. Dadurch kann ein verbessertes Ansprechverhalten bei einer Lastaufnahme erzielt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungs- beschreibung. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zentral ange- ordneten Injektors im Brennraum einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht einer Anordung des Injektors einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines seitlich ange- ordneten Injektors im Brennraum einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, Fig. 4 eine schematische Anordnung von Auslass-bzw. Ein- lassventilen, einer Zündkerze bzw. Zündkerzen und einem Injektor im Brennraum einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, Fig. 5 eine weitere schematische Anordnung von Auslass- bzw. Einlassventilen, einer Zündkerze bzw. Zünd- kerzen und einem Injektor im Brennraum einer auf- geladenen Brennkraftmaschine mit Direkteinsprit- zung, und Fig. 6 ein Kennfeld einer Betriebsstrategie einer Brenn- kraftmaschine.

Eine fremdgezündete Brennkraftmaschine 3 weist gemäß Fig. 1 einen Zylinder 4 auf, in dem sich ein Kolben 6 zyklisch auf und ab bewegt. Der Zylinder 4 wird von einem Zylinderkopf 5 abgeschlossen, in dem ein Einlassventil 8, ein Auslassven- til 9, eine Zündkerze 10 und ein Injektor 13 angeordnet sind. Im Zylinder 4 ist zwischen dem Kolben 6 und dem Zy- linderkopf 5 ein Brennraum 7 gebildet. Der Kolben 6 weist eine Brennraummulde 14 auf der oberen Seite auf, deren Tie- fe vorzugsweise bis zu fünf Millimeter beträgt. Der Kraftstoffinjektor 13 spritzt den Kraftstoff in einem oder in mehreren Kraftstoffstrahlen direkt in den Brennraum 7, wo sich der Kraftstoff mit der Verbrennungsluft vermischt und durch mindestens eine Zündkerze 10 gezündet wird. Die Verbrennungsluft gelangt zum Brennraum 7 durch ein Ansaug- rohr 15. Die Abgase gelangen durch ein Abgasrohr 16 aus dem Brennraum 7 weiter über eine Abgasleitung 17 zu einer Ab- gasturbine 18 eines Abgasturboladers, die einen Lader 19 antreibt. Die vom Lader 19 geförderte Luft gelangt über ei- ne Ladeluftleitung 20 zum Ansaugrohr 15.

Die durch das Ansaugrohr 15 in den Brennraum 7 zugeführte Luft erfährt beim Durchströmen von Drosselorganen eine Tur- bulenzerhöhung, die im Brennraum weitgehend erhalten bleibt. Alternativ kann bei der Verwendung von zwei Ein- lassventilen durch eine Kanalabschaltung eine Drallbewegung im Brennraum 7 erzielt werden. Die zum Brennraum geförderte Luft kann durch einen nicht dargestellten Ladeluftkühler geführt werden, der als ein Wasser-/Ladeluftwärmetauscher ausgestaltet sein kann.

Die erforderliche Quantitätsregelung kann durch einen vari- ablen Ladeluftstrom erfolgen, der beispielsweise durch eine variable Schaufelgeometrie in Abhängigkeit der Betriebspa- rameter verstellt wird. Der Abgasturbolader kann als Krei- selverdichter ausgebildet sein. Um das Ansprechverhalten des Turboladers zu verbessern und das sogenannte Turboloch gering zu halten, ist eine Drosselklappe 21 vor dem Ver- dichter angeordnet.

Die Zusammensetzung des Gemisches im Brennraum kann ferner durch eine Abgasrückführung günstig beeinflusst werden.

Hierzu dient eine nicht dargestellte Abgasrückführleitung, die zum Ansaugrohr 15 führt.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Anordnung des Injektors 13 im Zylinderkopf 5. Der Injektor 13 ist zentral im Zylinderkopf 5 angeordnet, wobei eine Entfernung d einer Injektorauslassöffnung 13a zur Mittelachse 11 des Zylinders 4 in etwa 20 Millimeter oder weniger beträgt. Der Injektor 13 ist derart angeordnet, dass ein Winkel a zwi- schen einer Injektorachse 12 und der Zylindermittelachse 11 kleiner 20° ist. Der Brennraum 7 ist vorzugsweise als Dach- brennraum ausgebildet. Die Zündkerze 10 ist ebenfalls im zentralen Bereich des Zylinderkopfs 5 angeordnet. Der In- jektor weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehr- lochdüse auf, welche als eine nach außen öffnende Düse aus- gestaltet ist. Der Antrieb des Injektors erfolgt piezo- elektrisch, wobei auch andere Injektorbetätigungen zweckmä- ßig sein können.

Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Brennkraftmaschine 3 analog zu der aus Fig. 1, wobei hier der Injektor 13 seitlich ange- ordnet ist. Der Injektor 13 ist derart geneigt angeordnet, dass ein Winkel ß zwischen der Injektorachse 12 und einer Horizontalen zwischen 20° und 70° beträgt.

In Fig. 4 und sind drei bevorzugte Anordnungen von Einlass- und Auslassventilen, Injektor und Zündkerzen dargestellt.

Die erste Variante V1 in Fig. 4 zeigt zwei Einlassventile 8, ein Auslassventil 9, eine Doppelzündung 10 und einen zentral angeordneten Injektor 13. Dabei ist jede Zündkerze derart angeordnet, dass sie zwischen dem Injektor 13 und einem äußeren Randbereich des Brennraums 7 liegt, und gleichzeitig in etwa zwischen einem Einlassventil 8 und dem Auslassventil 9 angeordnet ist.

Die zweite Variante V2 in Fig. 4 zeigt zwei Einlassventile 8, zwei Auslassventile 9, zwei Zündkerzen 10 und einen zentral angeordneten Injektor 13. Dabei sind die Einlass- ventile 8 auf einer Seite, die Auslassventile 9 auf der an- deren Seite und jeweils eine Zündkerze im äußeren Bereich zwischen einem Einlassventil 8 und einem Auslassventil 9 angeordnet.

Die dritte Variante V3 in Fig. 4 zeigt ein Einlassventil 8, ein Auslassventil 9, eine Zündkerze 10 und einen Injektor 13 auf. Der Injektor 13 und die Zündkerze sind seitlich an- geordnet, so dass die Zündkerze 10 und der Injektor 13 je- weils in einem äußeren Bereich des Brennraums 7 zwischen dem Einlassventil 8 und dem Auslassventil 9 angeordnet sind.

In Fig. 5 sind drei weitere bevorzugte Anordnungen von Ein- lass-und Auslassventilen, Injektor und Zündkerzen darge- stellt. Die Variante V4 in Fig. 5 zeigt zwei Einlassventile 8, ein Auslassventil 9, zwei Zündkerzen 10 und einen seit- lich angeordneten Injektor 13. Dabei ist jede Zündkerze derart angeordnet, dass sie in einem äußeren Randbereich des Brennraums 7 liegt, in dem der Injektor 13 nicht ange- ordnet ist, wobei sie gleichzeitig zwischen einem Einlass- ventil 8 und dem Auslassventil 9 angeordnet ist.

Die Variante V5 in Fig. 5 zeigt zwei Einlassventile 8, zwei Auslassventile 9, eine zentral angeordnete Zündkerze 10 und einen seitlich angeordneten Injektor 13. Dabei ist der In- jektor 13 in einem äußeren Bereich des Brennraums zwischen den beiden Einlassventilen 8 angeordnet.

Die letzte Variante V6 in Fig. 5 zeigt zwei Einlassventile 8, zwei Auslassventile 9, einen zentral angeordneten Injek- tor 13 und eine im zentralen Bereich angeordnete Zündkerze 10, die seitlich vom Injektor 13 zwischen den beiden Aus- lassventilen 9 angeordnet ist.

Gemäß Fig. 6 ist ein Kennfeld einer Brennkraftmaschine dar- gestellt, welches sich insbesondere gut für eine aufgelade- ne fremdgezündete Brennkraftmaschine 3 mit Direkteinsprit- zung gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 eignet. Es sind zwei Be- triebsbereiche dargestellt. Im unteren und mittleren Dreh- zahl-und Lastbereich 1 wird die Brennkraftmaschine zumin- dest zeitweise mit einem mageren homogenen Gemisch betrie- ben mit einem Luftverhältnis X > 1. Bei den höheren Lasten 2 wird die Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen bzw. fetten Gemisch betrieben mit einem Luftverhältnis 1 1. Im Diagramm gemäß Fig. 6 ist die Auslastung L der Brenn- kraftmaschine über der Drehzahl N aufgetragen. Der Bereich 1 deutet den Bereich eines möglichen mageren Gemisches an, dessen Begrenzung durch eine verstärkte Ladungsbewegung ausdehnbar ist, so dass ein größerer Bereich erfasst wird, wodurch dann der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wesentlich reduziert werden kann.

Zur Erzielung eines homogenen Kraftstoff/Luft-Gemisches er- folgt die Einspritzung des Kraftstoffs im Ansaughub und/oder im Anfangsteil des Kompressionshubes der Brenn- kraftmaschine 3. Um im Brennraum 7 eine Kraftstoffwandbe- netzung zu verhindern kann die Kraftstoffeinspritzung ge- taktet erfolgen. Die Homogenisierung des Gemisches wird durch die erzielte Turbulenzerhöhung der zugeführten Luft im Ansaugrohr 15 verstärkt. Bei der Verwendung von zwei Einlassventilen gemäß Variante 1, 2,4, 5 und 6 kann wei- terhin durch eine Kanalabschaltung eine Drallbewegung im Brennraum 7 erzielt werden.