Die Direkteinspritzung bei einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor (Otto-Motor) ist eine geeignete Maßnahme, neben dem Kraftstoffverbrauch auch das Drehmoment und die Leis- tung des Motors zu steigern. Die Möglichkeit einer Steigerung des Drehmoments resultiert aus den Besonderheiten der Direkteinspritzung.

Bei der Direkteinspritzung wird der Kraftstoff nahezu vollständig im Brennraum verdampft.

Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird der angesaugten Luft entzogen, so dass eine Innenkühlung der angesaugten Luft, insbesondere während des Einströmvorgangs in den Brennraum, erreicht wird. Die mit der Abkühlung einhergehende Abnahme der Dichte der Luft führt dazu, dass mehr Luft in den Motor einströmen kann. Damit ergibt sich eine Luftaufwandsteigerung gegenüber einer Saugrohreinspritzung, die in ein höheres Drehmo- ment umgewandelt werden kann. Bei der Saugrohreinspritzung wird flüssiger und ein großer Anteil vorverdampfter Kraftstoff synchron mit der Luft über das Einlassventil in den Brenn- raum angesaugt. Im Vergleich zur Direkteinspritzung kann weniger Frischluft in den Zylinder angesaugt werden, da der vorverdampfte Kraftstoff ein circa 300 mal höheres Volumen be- nötigt wie der flüssige Kraftstoff.

Ferner ist durch die Verdampfungskühlung der angesaugten Luft die Gemischtemperatur am Ende der Verdichtung niedriger als bei der Saugrohreinspritzung. Dies resultiert in einer re- duzierten Klopfneigung des Motors, so dass wirkungsgradgünstigere Zündwinkel eingestellt werden können, die wiederum zu einer Steigerung des Drehmoments führen können. Als Folge der reduzierten Klopfneigung kann ein höheres Verdichtungsverhältnis eingestellt wer- den, das über einen erhöhten Wirkungsgrad ebenfalls zu einer Drehmomentsteigerung bei- tragen kann.

Während bei der Saugrohreinspritzung im Bereich der Vollast aufgrund der niedrigen Ein- spritzdrücke drehzahlabhängig ein Zeitfenster von > 360°kW für die Einspritzung benötigt wird, können bei einem direkteinspritzenden Otto-Motor bei den heute üblichen Einspritzdrü- cken von bis zu 11 MPa zum Beispiel bei 2.000 1/min Einspritzdauern um deutlich unter 40°kW erzielt werden. Ein derartiges Einspritzfenster kann zur Optimierung des Motorbe- triebs in weiten Bereichen innerhalb des Ansaughubes verschoben werden.

Für die Einspritzung beim direkteinspritzenden Otto-Motor sind folgende Betriebsstrategien üblich : -Bei Teillast ein Betrieb mit geschichteter Zylinderladung und Abgasrückführung ; - im Leerlauf und bei sehr niedriger Last üblicherweise ein Betrieb mit geschichteter Zylinderladung und Abgasrückführung bei Teilandrosselung ; - bei höheren Lasten homogener Betrieb, insbesondere zur Vermeidung von Zonen im Brennraum mit überfettetem Gemisch ; - in einem Übergangsbereich homogener/magerer Betrieb zwischen Schichtladebetrieb und Homogen-Lambda = 1-Betrieb.

Im Betrieb von direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren nehmen zu frühem Einspritzbe- ginn hin Kohlenwasserstoff- (HC) und Rußemissionen aufgrund der dann vorherrschenden Kolbenbenetzung deutlich zu. Bei einer Verschiebung zu späten Einspritzpunkten hin wird ein Emissionsoptimum bezüglich HC, Ruß und Restsauerstoff durchlaufen. Bei noch späte- ren Einspritzpunkten steigen die HC-und Sauerstoffemissionen aufgrund von Schichtungsef- fekten und der abnehmenden Verdampfungszeit deutlich an. Die Klopfneigung nimmt zwar zu spätem Einspritzbeginn hin kontinuierlich ab, da die Verdichtungstemperatur immer mehr sinkt, je später die Einspritzung und damit auch die Verdampfung des Kraftstoffs erfolgt. Die erwähnten Nachteile eines späten Einspritzbeginns begrenzen aber bisher den erreichbaren Drehmoment-und Abgasemissionsvorteil der Direkteinspritzung beim Otto-Motor.

In dem Dokument DE 100 14 553 A1 wird das bei später Kraftstoffeinspritzung, insbesonde- re bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, auftretende Problem von Schwarzrauchemis- sionen angesprochen, die unter anderem auf fette Gemischzonen in der kompakten Ge- mischwolke zurückzuführen sind. Derartige fette Gemischzonen mit unerwünscht hoher Kraftstoffkonzentration entstehen aufgrund der geringen Eindringtiefe des eingespritzten Kraftstoffs in den Brennraum gegenüber hohem Zylinderdruck. Eine Anhebung des Ein- spritzdrucks könne keine Abhilfe schaffen. Darüber hinaus werde im Volllastbetrieb unter

annähernd homogener Gemischbildung keine gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Brenn- raum erreicht, was zu hohen Schadstoffemissionen, insbesondere Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyd, und zu niedriger Motorleistung führe. Zur Reduzierung der Abgasemission der Brennkraftmaschine wird in dem erwähnten Dokument vorgeschlagen, den Injektor wäh- rend eines Einspritzvorganges in einer vorgegebenen Taktfolge vielfach zu öffnen und zu schließen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem direkteinspritzenden fremdgezündeten Verbrennungsmotor Nachteile im Verbrennungsablauf bei später Einspritzung zu eliminieren und eine Verbesserung des Drehmoment-und Emissionsverhaltens zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprü- che gelöst.

Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem gattungsgemäßen Verfahren für einen gegebenen Betriebspunkt des Motors den Einspritzbeginn in einem Bereich zu positionieren, in dem der Liefergrad des Motors mindestens 70 % seines Maximalwertes A, MaX aufweist, wobei eine Zerstäubungsgüte von 12 um SMD Tröpfchengröße und besser verwendet wird.

Bevorzugt ist eine Positionierung des Einspritzbeginns in einem Intervall I zwischen 220°kW und 300°kW vor dem oberen Totpunkt (ZOT) und/oder in einem Bereich von mindestens 80 % eines maximalen Einlassventilhubs vorgesehen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Liefergradverhalten eines direktein- spritzenden fremdgezündeten Verbrennungsmotors stark vom Zeitpunkt der Einspritzung während der Ansaugphase abhängt. Der Liefergrad nimmt-relativ zum Saugrohreinspritzer - mit später Einspritzung zunächst zu, erreicht ein Maximum und sinkt zu späten Einspritz- zeitpunkten wieder ab. Nach dem Stand der Technik wird der Einspritzbeginn zu einem frü- heren Zeitpunkt gewählt, da bei zu später Einspritzung die weniger effektive Verbrennung trotz des höheren Liefergrades zu einer Drehmoment-und Leistungsminderung führt.

Erfindungsgemäß erfolgt der Einspritzbeginn in einem Bereich, in dem der Liefergrad des Motors mindestens 70 % seines Maximalwertes AMax aufweist und gleichzeitig die Kraftstoff- einspritzung mit einer Zerstäubungsgüte von 12 um SMD Tröpfchengröße oder besser er- folgt. Durch eine derartige Wahl der Zerstäubungsgüte wird in überraschender Weise der

Verbrennungsablauf der Direkteinspritzung optimiert, so dass die erwähnten Nachteile eines späten Einspritzbeginns beseitigt werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Einspritzzeit mit einer Dauer in einem Bereich von zumindest 35°kW und maximal 55°KW vorgesehen. Damit wird ein aus- reichender Austausch des Kraftstoffs mit der Luft ermöglicht und das Abkühlungsverhalten der Luft verbessert.

Vorzugsweise wird ein Injektor mit Einspritzdrücken von 12 MPa, bevorzugt 15 MPa, einge- setzt. Über die Wahl des Einspritzdrucks kann auf einfache Weise auf die Tröpfchengröße SMD Einfluss genommen und damit die erforderliche Zerstäubungsgüte erreicht werden.

Bevorzugt ist ein Injektor mit einem statischen Durchfluss von maximal 0,2 ccm/s pro kW, insbesondere maximal 0,12 ccm/s pro kW Motorleistung, da hiermit die Einspritzzeit auch bei hohen Einspritzdrücken genügend verlängert werden kann, um einen merklichen Liefergrad- vorteil des direkteinspritzenden Motors gegenüber einem mit Saugrohr-Einspritzung zu errei- chen.

Ferner ist bevorzugt zumindest einer der Parameter Einflussbeginn, Einspritzzeit, Zerstäu- bungsgüte oder Einspritzdruck derart gewählt, dass bei einem Lambda-Wert von 0,9 oder mehr eine Sauerstoffemission von < 0,3 %, eine Kohlenwasserstoffemission von < 10g/kWh und Rußemissionen mit einer Bosch-Schwärzungszahl SZ < 0,5 erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders bevorzugt in einem Drehzahlbereich von bis 3.000 1/min eingesetzt, kann jedoch auch bei höheren Drehzahlen zu einer Steigerung des Drehmoments führen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl mit einer konventionellen Einfach-als auch mit einer Doppel-oder Mehrfacheinspritzung betrieben werden. Bei einer Doppel-oder Mehr- facheinspritzung wird nach Einspritzbeginn die einzuspritzende Kraftstoffmenge auf mehr als ein Einspritzereignis aufgeteilt und hiermit eine weitere Verbesserung des Verbrennungsvor- ganges erreicht.

Der erfindungsgemäße direkteinspritzende fremdgezündete Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung zur Einstellung einer Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum zumindest eines

mit einem Einlassventil versehenen Zylinders weist ein Steuermodul zur Festlegung eines Einspritzbeginns nach dem vorerwähnten Verfahren auf.

Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs in einem Teillastbetrieb oder im Leerlauf erlaubt der Motor einen Schichtladebetrieb.

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung sind unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen angegeben.

Dabei zeigen : Figur 1 in schematischer Darstellung einen Otto-Motor mit Direkteinspritzung Figur 2 Abhängigkeiten von motorischen Parametern vom Einspritzbeginn nach dem Stand der Technik Figur 3 Liefergrad und Klopfneigung in Abhängigkeit vom Einspritzbeginn sowie eine Festlegung eines Einspritzkorridors gemäß der Erfindung Figur 4 den Verlauf der Tröpfchengröße in Abhängigkeit vom Einspritzdruck für einen typischen Injektor.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen fremdgezündeten, vorzugsweise schichtladefähigen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor 1. In einen Brennraum 10 eines Zylinders 11 kann mittels einer Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung 12 Kraftstoff direkt ein- gespritzt werden. In Fig. 1 ist ein Common Rail-Einspritzsystem dargestellt, jedoch ist die Erfindung auch mit konventionellen Einspritzsystemen ausführbar. Für Einspritzung und Zu- messung des Kraftstoffs ist jedem Zylinder 11 ein Injektor 14 sowie zur Steuerung der Luft- zufuhr ein Einlassventil 16 zugeordnet. Über ein elektronisches Gaspedal 18 erfolgt eine Bemessung von Verbrennungsluft in die Zylinder 11. Die Erfindung beinhaltet auch Ausfüh- rungsformen, bei denen Einzelheiten der Luftzufuhr und Bemessung anders als in Fig. 1 ausgebildet sind.

Dem Verbrennungsmotor 1 ist ferner ein Abgassystem 20 mit einem motornahen Vorkataly- sator 22 und einem Hauptkatalysator 24 zugeordnet. Die Erfindung ist darüber hinaus auch für DI-Ottomotoren ohne Vorkatalysator mit motornahem Hauptkatalysator wirksam. Vor-

zugsweise ist der Vorkatalysator als 3-Wege-Katalysator und der Hauptkatalysator als NOx- Speicherkatalysator (Denox-Katalysator) ausgebildet, um auch im besonders verbrauchs- günstigen Schichtladebetrieb eine sichere Abgasreinigung zu gewährleisten. Über ein Ab- gasrückführventil 26 kann von der Abgasanlage 20 Abgas zur Beeinflussung des Verbren- nungsverhaltens der Verbrennungsluft zugeführt werden.

Zur Steuerung bzw. Regelung der verschiedenen Motorfunktionen ist ferner ein Motorsteuer- gerät 30 vorgesehen, das Signale von Sensoren 34 für Drehzahl, Motortemperatur, Katalysa- tortemperatur, einer Drosselklappenstellung sowie einer Last-oder Leistungsanforderung umfasst und über die Einrichtung 12 Kraftstoff entsprechend dosieren kann. Das Steuergerät 30 beinhaltet ein Steuermodul 32, mit dem ein Einspritzbeginn des Kraftstoffs in den Brenn- raum 10 festgelegt werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Motorsteuergerät 30 ein Drehmomentmodell implementiert, bei dem alle Motoreingriffe als Drehmomentanforde- rungen ausgedrückt sind. Zur Bedatung dieses Modells wird das Drehmoment des Motors 1 in Abhängigkeit vom Zündwinkel unter Variation von Parametern wie Drehzahl, Lambda- Wert, Füllung, ggf. einer Abgasrückführrate sowie weiterer Betriebsparameter festgelegt.

Das Drehmomentmodell kann als Kennfeld in einem Datenspeicher des Motorsteuergeräts 30 abgelegt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Da- tenmodell auch eine Bedatung der Abhängigkeit des Liefergrads vom Einspritzbeginn. Zu- sätzlich kann der Einfluss einer Variation der Einspritzdauer berücksichtigt werden.

In Figur 2 ist die Abhängigkeit verschiedener motorischer Parameter vom Einspritzbeginn bei Drehzahlen < 3.000 1/min bei Vollast schematisch dargestellt. Hierbei zeigen die mit Ruß, HC, 02 bezeichneten Kurven die Emission für Ruß, Kohlenwasserstoffe (HC) und Restsau- erstoff (02) an. Ferner ist die Abhängigkeit der Klopfneigung des Motors vom Einspritzbe- ginn dargestellt. Es ist ferner die Abhängigkeit des Drehmoments eines konventionellen di- rekteinspritzenden Motors relativ zu dem Wert eines Motors mit Saugrohreinspritzung ge- zeigt. Die mit Liefergrad bezeichnete Kurve zeigt den relativen Liefergradvorteil eines direkt- einspritzenden Motors gegenüber einem Motor mit Saugrohreinspritzung in Abhängigkeit vom Einspritzbeginn. Ein für den Liefergradvorteil typischer Wert liegt bei circa 5 %. Die E- missionskurven für Ruß, HC und 02 zeigen ein Minimum bei einem relativ frühen Einspritz- beginn. Das Maximum des Liefergradvorteils A » Max liegt demgegenüber bei einem späteren Einspritzbeginn.

Die dargestellte Kurve für das Drehmoment zeigt ein Maximum in einem Bereich zwischen dem Maximum des Liefergradvorteils und dem Minimum der Emissionen. Darin drückt sich aus, dass sich Liefergrad-und Klopfneigungsvorteil mit einem Optimum des Verbrennungs- vorganges kombinieren. Die erhöhten HC-und 02-Emissionen zeigen zusammen mit einer Tendenz zu einer Verschleppung der Verbrennung bei später Einspritzung die geringere Effektivität des Verbrennungsvorgangs bei einem späten Einspritzbeginn, auch wenn Liefer- grad und Klopfneigung bei diesen Werten verbessert sind.

Erfindungsgemäß wird der Einspritzbeginn in einen Bereich um das Maximum A, MaX des Lie- fergrads gelegt und gleichzeitig der Verbrennungsvorgang durch Erhöhung der Zerstäu- bungsgüte der Einspritzung bzw. des Injektors effektiver gestaltet.

In Figur 3 ist in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Positionierung des Ein- spritzbeginns in einem-Bereich um das Maximum des Liefergrads gezeigt. Erfindungsgemäß wird der Einspritzbeginn in einem Zielkorridor gewählt, in dem ein maximaler Liefergrad er- reicht wird. Bevorzugt ist ein Einspritzbeginn in einem Bereich, in dem der Liefergrad mindestens 70 % seines Maximums AIMax erreicht. Bevorzugte Werte für den Einspritzbeginn liegen in einem Intervall I zwischen 220° und 300°KW vor Zünd-OT. Eine besonders effektive innere Kühlung lässt sich erreichen, wenn dabei das Einlassventil in einem Bereich maxima- len Hubs liegt. Bevorzugt sind hierbei Werte von < 30 % unterhalb des Maximalhubs des Einlassventils.

Erfindungsgemäß wird ein Injektor mit hoher Zerstäubungsgüte eingesetzt. Als Maß für die Zerstäubungsgüte wird die Tröpfchengröße in Sauter Mean Diameter (SMD) verwendet. Ü- berraschenderweise hat sich gezeigt, dass die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verlegung des Einspritzbeginns nach spät in den Bereich um ein Maximum des Liefergrads üblicherweise verbundene Verschlechterung des Verbrennungsprozesses durch die Wahl eines Injektors mit einer Zerstäubungsgüte von 12 um SMD Tröpfchengröße oder besser beseitigt werden kann.

Für einen typischen Injektor besteht ein Zusammenhang zwischen Einspritzdruck und Tröpf- chengröße, der es ermöglicht, über einen geeigneten Einspritzdruck eine erforderliche Zer- stäubungsgüte, wie sie sich in der Tröpfchengröße ausdrückt, einzustellen. Ein Verlauf des Zusammenhangs zwischen Einspritzdruck und Tröpfchengröße für einen typischen Injektor

ist in Fig. 4 dargestellt. Bevorzugt ist ein Einspritzdruck von > als 12 MPa. Um eine ausrei- chend lange Einspritzdauer zu gewährleisten, ist bevorzugt gleichzeitig der statische Durch- fluss des Injektors auf max. 0,2 ccm/s pro KW Motorleistung zu beschränken. Besonders bevorzugt ist ein Durchfluss von weniger als 0,12 ccm/s pro kW Motorleistung. Mit derartig gewählten Einspritzparametern lässt sich ein ausreichender Austausch von Luft und Kraft- stoff und damit der gewünschte Kühleffekt der Luft sicherstellen. Die Einspritzzeit liegt erfin- dungsgemäß zwischen 35°KW und 55°KW.

Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann in günstiger Weise zusammen sowohl mit einer Einfach-als auch mit einer Mehrfacheinspritzung eingesetzt werden. Bei der Mehr- facheinspritzung sind Doppel-und Dreifacheinspritzungen bevorzugt. Um eine genügend schnelle Folge von Einspritzereignissen zu ermöglichen, wird bevorzugt ein Piezoinjektor eingesetzt. Ein derartiger Injektor ist beispielsweise aus der DE 195 48 526 A1 bekannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es bei einem Luftverhältnis (Lambda-Wert) von > 0,9 Sauerstoffemission von weniger als 0,3 % und HC-Emissionen von weniger als 10 g/kWh zu erreichen. Dabei sind Rußemissionen mit einer Bosch-Schwärzungszahl SZ von weniger als 0,5 erzielbar.

Bezugszeichenliste 1 Fremdgezündeter direkteinspritzender Verbrennungsmotor 10 Brennraum 11 Zylinder 12 Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung 14 Injektor 16 Einlassventil 18 Gaspedal 20 Abgasanlage 22 Vorkatalysator 24 Hauptkatalysator 30 Motorsteuergerät 32 Steuermodul 34 Sensoren