Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch.

Bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung sowie bei in homogener Betriebsweise betriebenen direkteinspritzenden Ottomotoren kann durch eine interne Restgasrückhaltung oder eine externe Rückführung von Verbrennungsgasen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erzielt werden. Dies ist in der sogenannten Entdrosselung begründet. Darunter versteht man die Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch eine Erhöhung des Saugrohrdrucks. Die Erhöhung des Saugrohrdrucks wird möglich, da sich durch das Wiederansaugen von Restgas die Gesamtladung erhöht und daher eine größere Luftmenge während des Ansaughubs in den Brennraum gelangen muss. Je größer die rückgeführte Restgasmenge, um so höher wird die Gesamtladung im Brennraum und damit auch der benötigte Saugrohrdruck. Begrenzt wird die mögliche Abgasrückführrate durch die sich mit steigendem Restgasgehalt verschlechternde Verbrennungsstabilität.

Ein weiterer Vorteil von Abgasrückführung oder -rückhaltung ist das Absenken der Brennraumtemperatur durch die Anwesenheit von Inertgas während der Verbrennung. Das Inertgas wird während der- Verbrennung vom heißen Verbrennungsgas erwärmt und entzieht dabei dem Verbrennungsgas entsprechend Energie. Die geringere Brennraumtemperatur reduziert die Bildung von Stickoxiden deutlich, da die Bildung von Stickoxiden in erster Linie von der Temperatur abhängt. Hohe Temperaturen und die Anwesenheit von Sauerstoff begünstigen die Stickoxidbildung.

Ein Betrieb eines Ottomotors mit magerem Ladungsgemisch ermöglicht ebenfalls eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Auch in diesem Fall erhöht sich durch die größere angesaugte Luftmasse, die hier allerdings nur aus Frischluft besteht, die Ladungsmenge und somit der Saugrohrdruck. Das bei der Verbrennung entstehende Moment wird durch die eingespritzte Kraftstoffmenge vorgegeben, reduziert um den niedrigeren Verbrennungswirkungsgrad bei magerer Verbrennung.

Durch den Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung wird die Bildung von Stickoxiden begünstigt . Diese können aufgrund der Anwesenheit von Sauerstoff im Verbrennungsgas von einem 3- Wege-Katalysator nicht zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert werden und müssen durch einen NOx-Speicherkat oder dergleichen aufwändige Abgasreinigungstechnologien beseitigt werden. Aus diesem Grund muss die Bildung von Stickoxiden schon während der Verbrennung minimiert werden, was hauptsächlich durch ein Absenken der Brennraumtemperatur erreicht werden kann. Die Brennraumtemperatur sinkt mit steigendem Luftüberschuss; eine magere Betriebsart muss also mit möglichst hohem Luftüberschuss betrieben werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorzusehen, welches auch bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch die Verbrennung im Brennraum stabilisiert und die Stickoxidemission reduziert.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch wird einem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt; in den Brennraum wird mittels eines Kraftstoffinjektors Kraftstoff eingespritzt; und ein in dem Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündkerze zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt gezündet . Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Voreinspritzung einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff- Luft-Gemisch (λ > 1) gebildet wird; und dass anschließend eine Haupteinspritzung einer zweiten Kraftstoffmenge unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze eine geschichtete, fette Kraftstoff-Luft-Wolke (λ < 1) gebildet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge auf zwei Einspritzmengen aufgeteilt . Die Voreinspritzung erfolgt im Ansaughub der Brennkraftmaschine, um im gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Mit der Haupteinspritzung im Arbeitshub der Brennkraftmaschine wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich der Zündkerze gebildet, sodass selbst bei sehr späten Zündzeitpunkten eine sichere Entflammung dieser Ladungswolke ermöglicht wird. Außerdem wird durch die geschichtete Haupteinspritzung unter hohem Druck im Bereich der Zündkerze eine verstärkte Turbulenz erzeugt. Durch die homogene, magere Voreinspritzung wird ein höherer Luftüberschuss bereit gestellt, was eine Reduzierung der Stickoxidemission bewirkt, und die geschichtete, fette Haupteinspritzung verbessert die Verbrennungsstabilität bei gleich bleibender Laufruhe der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann der Vorteil der Kraftstoffersparnis durch einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch optimiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt. Durch diese Mehrfacheinspritzung wird die Durchmischung des geschichtet eingespritzten Kraftstoffes mit der Frischluft und dem Restgas verbessert, die Turbulenz im Bereich der Zündkerze erhöht und damit die Verbrennung weiter stabilisiert.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Doppeleinspritzung mit zwei SchichteinspritZungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt entweder nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung als Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesem Fall kann der Zündzeitpunkt nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder wahlweise zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Voreinspritzung im Fall des Betriebs bei hohen Restgasraten ein leicht mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit λ « 1,3 im Brennraum erzeugt wird. Bei magerer Betriebsweise der Brennkraftmaschine wird, abhängig von dem maximal erreichbaren Luftüberschuss vorzugsweise ein deutlich magereres Ladungsgemisch erzeugt .

Im Fall des Betriebs der Brennkraftmaschine bei hohen Restgasraten sollte das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung gemittelt über den gesamten Brennraum bevorzugt stöchiometrisch (λ = 1) , im Fall des homogenen Magerbetriebs der Brennkraftmaschine ist dieses hingegen bevorzugt mager.

Der Zündzeitpunkt entspricht dem üblichen Zündzeitpunkt in einer herkömmlichen homogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine, d.h. er liegt je nach Betriebspunkt der Brennkraftmashcine bevorzugt zwischen 00KW und 350KW vor dem oberen Zund-Totpunkt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt das Ende der Haupteinspritzung bzw. der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung etwa 2°KW bis 100KW vor dem Zündzeitpunkt. In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auch die Voreinspritzung als Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei welcher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung; und Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs der Brennkraftmaschine von Fig. 1, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt stark vereinfacht einen Zylinder 12 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 10 mit Kraftstoffdirekteinspritzung. In dem Zylinder 12 wird ein Brennraum 18 durch einen Kolben 14 und einen den Zylinder 12 verschließenden Zylinderkopf 16 begrenzt. Im Zylinderkopf 16 ist zentral ein Kraftstoffinjektor 20 angeordnet, mit welchem durch eine Düsenöffnung 22 Kraftstoff in den Brennraum 18 eingespritzt werden kann. Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) bestimmt während einer Startphase der Brennkraftmaschine 10 u.a. die Einspritzzeitpunkte des Kraftstoffes mit den zugehörigen Kraftstoffmengen und einen Zündzeitpunkt, an dem mittels einer Zündkerze 26 oder dergleichen ein im Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft- Gemisch gezündet wird.

Bei der Freigabe der Düsenöffnung 22 des KraftstoffInjektors 20 wird der Kraftstoff in Form eines Kegelstrahls 24 mit einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 110° in den Brennraum 18 eingespritzt. Die Positionierung der Zündkerze 26 im Brennraum 18 ist derart gewählt, dass die Elektroden 28 der Zündkerze 26 durch den eingespritzten Kraftstoffkegel 24 nicht benetzt werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 arbeitet vorzugsweise nach dem Viertakt-Prinzip. In einem ersten Takt eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 10, dem sogenannten Ansaughub, wird dem Brennraum 18 durch einen Einlasskanal (nicht dargestellt) Verbrennungsluft zugeführt. Dabei bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt UT. In einem weiteren Kompressionshub der Brennkraftmaschine 10 bewegt sich der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt UT bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt ZOT. In einem nachfolgenden Expansionshub bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärts¬ bewegung wieder bis zu einem unteren Totpunkt UT; und in einem vierten Ausschiebehub fährt der Kolben 14 in einer Aufwärtsbewegung bis zu einem oberen Totpunkt OT, um dabei die Abgase aus dem Brennraum 18 auszuschieben.

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Einspritzstrategie für eine Brennkraftmaschine vorzusehen, die eine externe Rückführung oder interne Rückhaltung von großen Restgasraten oder den Betrieb bei einem sehr mageren Ladungsgemisch erlaubt, um eine möglichst hohe Kraftstoff- ersparnis zu erzielen. Hierbei sollen gleichzeitig die Verbrennung stabilisiert, die Laufruhe beibehalten und die Stickoxidemission reduziert werden.

Anhand der Darstellungen der Fig. 2 bis 5 werden verschiedene bevorzgte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei sind jeweils die Einspritzvorgänge ES der Brennkraftmaschine 10 über dem Kurbelwinkel 0KW aufgetragen.

Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Aufteilung des eingespritzten Kraftstoffs in zwei Teile, nämlich eine homogene Voreinspritzung MH und eine geschichtete Haupteinspritzung M5. Zunächst wird im Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 eine erste Kraftstoffmenge in einer Voreinspritzung MH eingespritzt, sodass im gesamten Brennraum 18 ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ > 1 gebildet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Homogeneinspritzungen wird bei hohen Restgasraten im Brennraum 18 ein leicht mageres Gemisch, bevorzugt mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ von etwa 1,3 gebildet. Bei magerer Betriebsweise der Brennkraftmaschine wird in Abhängigkeit von dem maximal erreichbaren Luftüberschuss ein deutlich magereres Gemisch gebildet.

Kurz vor dem Zündzeitpunkt ZT, welcher dem üblichen Zündzeitpunkt bei einer homogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 entspricht und welcher je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zwischen 00KW und etwa 350KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) liegt, wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT eine zweite Kraftstoffmenge in einer Haupteinspritzung M3 in den Brennraum 18 als Schichteinspritzung eingespritzt. Da der Zündzeitpunkt ZT von der Leerlaufregelung, der Klopfregelung oder anderen Regelungseingriffen beeinflusst werden kann, muss der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung M3 an den Zündzeitpunkt ZT gekoppelt sein. Diese Koppelung erfolgt über einen bedatbaren, vom Betriebspunkt abhängigen Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der geschichteten Haupteinspritzung M3 und dem Zündzeitpunkt ZT. Dieser Abstandswinkel Δ liegt bevorzugt in einem Kurbelwinkelbereich von 20KW bis 100KW vor dem Zündzeitpunkt ZT.

Zweck dieser geschichteten Haupteinspritzung M3 ist die Bildung einer leicht fetten (λ < 1, z.B. λ « 0,8), trotz des hohen Restgasgehaltes im Brennraum 18 sicher entflammbaren Ladungswolke 30 in der Nähe der Zündkerze 26 zum Zündzeitpunkt ZT. Durch die Schaffung optimaler Bedingungen an der Zündkerze 26 zum Zündzeitpunkt ZT wird eine hohe Entflammungssicherheit erreicht. Aus diesem Bereich kann sich dann die Flammenfront in die Bereiche des Brennraums 18 fortsetzen, in denen das Ladungsgemisch zwar brennbar, aber aufgrund der hohen Restgasrate nicht sicher zündfähig ist . Bei direkteinspritzenden Ottomotoren mit strahlgeführtem Brennverfahren ist die Ausbildung der Ladungswolke 30 in erster Linie von der Strahlausbildung abhängig und somit von der Kolbenposition und der Brennrauminnenströmung unabhängig. Die Ausbildung des Einspritzstrahls hängt vor allem von der Form der Einspritzdüse 22 sowie dem Einspritzdruck ab.

Durch das in Fig. 2 veranschaulichte und oben beschriebene Einspritzverfahren gemäß der Erfindung wird einerseits durch die homogene Voreinspritzung MH ein hoher Luftüberschuss im Brennraum erzielt, was trotz einer mageren Betriebsart zu einer Reduzierung der Stickoxidemission führt, und andererseits wird durch die geschichtete Haupteinspritzung M8 zum Zündzeitpunkt ZT eine sicher entflammbare Ladungswolke im Bereich der Zündkerze 26 zur Verfügung gestellt, was trotz eines hohen Restgasgehalts im Brennraum 18 zu einer stabilen Verbrennung und einer Verringerung der Brennraumtemperatur führt . Auf diese Weise kann somit ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit hohem Restgasgehalt oder sehr magerem Ladungsgemisch durchgeführt werden, bei dem die Kraftstoffersparnisse optimiert und gleichzeitig die Stickoxidemission reduziert ist .

Vorzugsweise ist das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ nach der geschichteten Haupteinspritzung M5 gemittelt über den gesamten Brennraum 18 im Fall von hohen Restgasgehalten stöchiometrisch (λ » 1) . Bei einem homogenen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 10 ist dieses Kraftstoff-Luft-Verhältnis dagegen mager.

Während im ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 die geschichtete Haupteinspritzung M3 in Form einer Einfacheinspritzung erfolgte, wird die geschichtete Haupteinspritzung Ms im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 3 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung innerhalb weniger Millisekunden durchgeführt. Durch die getaktete Ausführung der geschichteten Haupteinspritzung M3 als Mehrfacheinspritzung wird die Gemischbildung der fetten Ladungswolke 30 im Bereich der Zündkerze 26 aufgrund einer besseren Durchmischung des Kraftstoffdampfes mit der Frischluft und damit auch die Laufruhe der Brennkraftmaschine 10 weiter verbessert. Außerdem wird durch die Mehrfacheinspritzung auch die Turbulenz im Bereich der Zündkerze 26 erhöht und somit die Verbrennung weiter stabilisiert .

Wie in Fig. 3 angedeutet, kann der Zündzeitpunkt ZT im Fall einer geschichteten Doppeleinspritzung Ms entweder erst nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung M3 oder aber zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung M5 liegen. Der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung Ms ist dabei derart an den Zündzeitpunkt ZT gekoppelt, dass der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung M3 und dem Zündzeitpunkt in Abhängigkeit vom Betriebspunkt bevorzugt etwa 20KW bis etwa 100KW beträgt.

Die übrigen Aspekte des zweiten Ausführungsbeispiels und die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 2.

Während im zweiten Ausführungsbeispiel die Haupteinspritzung Ms als Doppeleinspritzung mit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung ausgeführt wird, wird die Haupteinspritzung Ms im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 als Dreifacheinspritzung mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Schichteinspritzung durchgeführt. Der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzung und dem Zündzeitpunkt ZT beträgt auch in diesem Fall bevorzugt etwa 20KW bis etwa 100KW.

Wie in Fig. 4 dargestellt, erfolgt die Zündung ZT wahlweise zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der dritten Schichteinspritzung der geschichteten Haupteinspritzung M3 oder wahlweise auch erst nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung M8.

Das in Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 dadurch, dass auch die homogene Voreinspritzung MH als Mehrfacheinspritzung, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Doppeleinspritzung, ausgeführt wird. Durch diese homogene Doppeleinspritzung wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert .

Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese homogene Mehrfacheinspritzung MH von Fig. 5 auch mit allen anderen gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, ohne dass dies explizit dargestellt ist.

Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere in der Stabilisierung der Verbrennung bei hohen Restgasraten im Brennraum durch externe Abgasrückführung oder interne Abgasrückhaltung durch geeignete Ventilsteuerzeiten; der Stabilisierung der Verbrennung bei Betrieb mit magerem Ladungsgemisch; der Einsparung von Kraftstoff durch die Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch Entdrosseln mittels externer Abgasrückführung oder interner Abgasrückhaltung; der Einsparung von Kraftstoff durch eine Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch Entdrosseln mittels magerem Betrieb der Brennkraftmaschine; und der Reduzierung der Stickoxidbildung durch Absenken der Brennraumtemperatur durch die Anwesenheit erhöhter Inertgasmengen bzw. durch die Verbrennung mit erhöhtem Luftüberschuss.