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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
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Aus
der
DE 100 43 384
A1 ist ein derartiges Verfahren mit kombinierbarer innerer
und äußerer Gemischbildung
bekannt, wobei eine Steuereinheit die Injektoren zur Direkteinspritzung
und mindestens einen Injektor im Saugrohr der Brennkraftmaschine ansteuert
und in Abhängigkeit
des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine die von den Injektoren
jeweils abzugebenden Kraftstoffmengen bestimmt. Dabei soll in unteren
Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine bei innerer Gemischbildung
durch Direkteinspritzung ein geschichtetes Gemisch gebildet werden,
während
in hohen Last- und Drehzahlbereichen homogene Gemischbildung vorgesehen
ist. In mittleren Last- und
Drehzahlbereichen sieht das bekannte Verfahren eine gleichzeitige
Kraftstoffabgabe in Teilmengen durch Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung
vor, wobei ein homogenes Grundgemisch durch Saugrohreinspritzung
gebildet wird, welches durch direkte Kraftstoffabgabe in den Brennraum
zu einem geschichteten Gemisch angereichert werden soll. Dabei wird
auch eine homogene Gemischbildung für besondere Betriebszustände als vorteilhaft
angesehen, wie etwa zum Zwecke der Regeneration oder Erwärmung eines
Katalysators.
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Es
hat sich herausgestellt, daß das
bekannte Verfahren einen Einsatz des zur Senkung der Schadstoffemission
als sehr wirksam bekannten Mittels der Mischung des Frischgases
mit Abgas der Brennkraftmaschine nicht erlaubt. Insbesondere in
unteren Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine mit geringen Betriebslasten
und Drehzahlen, in denen sich die Abgasbeimischung als besonders
wirksam herausgestellt hat, ist bei einem Betrieb mit dem bekannten Verfahren
eine unvollständige
Verbrennung zu beobachten.
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Des
weiteren führt
die große
Spreizung der erforderlichen Einspritzmenge zwischen Nullast bis Vollast
insbesondere bei aufgeladenen Motoren zu Zielkonflikten bei der
Auslegung der Injektoren, welche bei maximaler Drehzahl die erforderliche
Kraftstoffmenge in einer insbesondere bei Direkteinspritzung sehr
kurzen Zeit einspritzen müssen.
Die daher erforderliche großzügige Auslegung
der Injektoren führt
aber bei geringen Lasten und Drehzahlen, wie z. B. im Leerlauf,
zu einer nicht zufriedenstellenden Genauigkeit der Kraftstoffzumessung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der gattungsgemäßen Art
zu schaffen, mit dem möglichst
geringe Schadstoffemissionen durch eine vollständige Kraftstoffverbrennung insbesondere
in unteren Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist in
einem unteren Betriebsbereich der Brennkraftmaschine mit geringen Betriebslasten
und Drehzahlen eine Kompressionszündungs-Betriebsart vorgesehen,
bei der Abgas der Brennkraftmaschine und Frischluft gemischt werden und
im Zylinder ein homogenes Kraftstoffgemisch gebildet und gezündet wird.
Vorzugsweise wird das Kraftstoffgemisch durch äußere Gemischbildung und Kraftstoffeinspritzung
in den Ansaugbereich homogenisiert. Der Erfindung liegt dabei die
Er kenntnis zugrunde, daß unvollständige Verbrennung
bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit Mischung von Abgas
mit Frischgas auf der Bildung von Restgasnestern im Brennraum durch
Mischung eines Teils des Kraftstoffes mit Abgasanteilen beruht und
diesen Restgasnestern eine für
die vollständige
Verbrennung notwendige Sauerstoffmenge fehlt.
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Dem
Problem der Bildung von Restgasanteilen, die sowohl bei einer Abgasrückführung als
auch bei einer Rückhaltung
von Abgasen im Brennraum auftreten, wird durch die Homogenisierung
des Gemisches im Brennraum entgegengewirkt, wenn Frischluft, Kraftstoff
und Restgas ausreichend durchgemischt werden. Bei Homogenisierung
durch äußere Gemischbildung
wird die Durchmischung zur Vermeidung von Restgasnestern im Brennraum
während
des Kompressionszündungsbetriebes
weiter gefördert.
Um im untersten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine stabile
und vollständige Verbrennung
bei Kompressionszündung
zu gewährleisten,
sieht die Erfindung im unteren Betriebsbereich des Kompressionszündungsbetriebes
eine Direkteinspritzung wenigstens einer Teilmenge des Kraftstoffs
während
der Gemischkompression im Zylinder vor. Die direkte Einspritzung
von Kraftstoff in diesem unteren Betriebsbereich verbessert das Zündverhalten
und stellt quasi eine Aktivierung der Zündung dar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt das beizumischende Abgas durch Rückhaltung im Brennraum von
dem jeweils vorherigen Arbeitstakt des Zylinders bereitgestellt,
wobei die Aktivierungseinspritzung durch Direkteinspritzung zur Verbesserung
des Zündverhaltens
während
der Verdichtung des Abgases erfolgt. Wird nur eine Teilmenge während der
Abgasverdichtung eingespritzt, so kann die Restmenge alternativ
durch Direkteinspritzung oder durch Saugrohreinspritzung in den
Ansaugbereich der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Die Direkteinspritzung
zur Aktivierung der Kompressionszündung im unteren Betriebsbereich
des Kompressionszündbetriebes ist
vorzugsweise unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes der Betriebslast
vorgesehen.
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Außerhalb
des Kompressionszündbetriebes wird
im mittleren Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine homogene
Gemischbildung als vorteilhaft angesehen, welche durch innere oder äußere Gemischbildung
oder auch eine Kombination innerer und äußerer Gemischbildung und Abstimmung
der jeweils abzugebenden Teilmengen der Injektoren erfolgen kann.
Bei hohen Betriebslasten und geringen Drehzahlen ist innere Gemischbildung
durch Direkteinspritzung vorteilhaft. Ein hoher Freiraum zur erforderlichen
Auslegung der zur Verfügung
stehenden Injektoren im Hinblick auf hohe Kraftstoffdurchsätze bei
hohen Betriebslasten und hohen Drehzahlen ist gegeben, wenn in diesem
oberen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine sowohl innere als
auch äußere Gemischbildung
kumulativ eingesetzt werden.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist in Betriebsbereichen
mit innerer und äußerer Gemischbildung
eine derartige Aufteilung der gesamten Einspritzmenge für den jeweils
vorliegenden Betriebspunkt vorgesehen, daß über den Injektor im Ansaugbereich
der Brennkraftmaschine eine wesentlich konstante Grundmenge zugemessen
wird und die Restmenge durch Direkteinspritzung in den Zylinder ergänzt wird.
Durch die Variation der Kraftstoffmenge im Rahmen der Direkteinspritzung
kann eine Lastvariation erfolgen, wobei durch die konstante Kraftstoffzumessung
im Ansaugbereich ein gleichbleibender Wandfilm im Saugrohr entsteht
und das Instationärverhalten
der Brennkraftmaschine verbessert ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen Querschnitt durch
einen Teil einer fremdgezündeten
Brennkraftmaschine,
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2 eine grafische Darstellung
des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine über Last- und Drehzahl.
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1 zeigt einen Querschnitt
durch einen der Zylinder 2 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1.
In jedem Zylinder 2 ist ein Brennraum 4 von einem
längsbeweglich
angeordneten Kolben 3 und einem Zylinderkopf 5 begrenzt.
Dem Brennraum 4 wird in an sich bekannter Weise Frischgas
durch einen Einlaßkanal 13 zugeführt, wenn
der Zugang des Einlaßkanals 13 zum
Brennraum durch Öffnen
des Einlaßventils 6 freigegeben
wird. In den Brennraum 4 wird Kraftstoff mit dem durch
den Einlaßkanal 13 zugeführten Frischgas
verbrannt und dadurch der Kolben 3 angetrieben. Die Verbrennungsabgase
werden aus dem Brennraum 4 durch einen Auslaßkanal 14 abgeführt, wenn
dieser von dem Auslaßventil 7 am Ende
des Arbeitspiels des jeweiligen Zylinders 2 geöffnet wird.
Die Einlaßventile 6 und
die Auslaßventile 7 der
Brennkraftmaschine 1 werden von einem Ventiltrieb gesteuert,
welcher in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Die
Bildung eines zündfähigen Kraftstoffgemisches
im Brennraum 4 kann durch äußere Gemischbildung mittels
Kraftstoffeinspritzung in den Einlaßkanal und alternativ oder
zusätzlich
auf dem Wege innerer Gemischbildung durch direkte Kraftstoffeinspritzung
in den Brennraum 4 erfolgen. Für die innere Gemischbildung
ist jedem Zylinder 2 ein Injektor 10 zugeordnet,
welcher seinen jeweiligen Kraftstoffstrahl 11 in den Brennraum 4 abgibt.
Für die Direkteinspritzung
werden bevorzugt Mehrlochinjektoren eingesetzt, bei denen der Kraftstoff
durch sechs oder mehr Einspritzlöcher
in der Mehrlochdüse
bei einem hohen Einspritzdruck von vorzugsweise mehr als 40 bar in
den Brennraum eingespritzt werden. Für die äußere Gemischbildung ist mindestens
ein Kanalinjektor 12 vorgesehen, welcher seinen Kraftstoff in
den Frischgasstrom im Einlaßkanal 13 abgibt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist für
jeden Zylinder ein Kanalinjektor 12 für die äußere Gemischbildung vorgesehen,
welcher jeweils in dem Einlaßkanal
des jeweiligen Zylinders 2 angeordnet ist und sequentiell
von einer Steuereinheit 9 freigegeben wird. Alternativ
zu der Multipoint-Einspritzung
kann auch die Anordnung eines einzigen Kanalinjektors 12 zur äußeren Gemischbildung
vorgesehen sein, welcher in einem allen Einlaßkanälen 13 der Zylinder 2 gemeinsamen
Saugrohr angeordnet ist (Singlepoint-Einspritzung).
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Die
Mehrlochinjektoren 10 erhalten über eine Steuerleitung 23 ihre
Steuerbefehle für
die jeweilige Kraftstoffeinspritzung von einer Steuereinheit 9,
welche über
eine Steuerleitung 22 auch die Kanalinjektoren 12 für die Saugrohreinspritzung
ansteuert. Dabei stellt die Steuereinheit 9 in Abhängigkeit
des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine die zur inneren oder/und äußeren Gemischbildung
vorgesehenen Einspritzmengen der jeweiligen Injektoren 10, 12 ein.
Dabei wird, wie später
zur 2 näher erläutert, in
einigen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine die innere Gemischbildung
kumulativ mit der äußeren Gemischbildung
betrieben und die Steuereinheit 9 stimmt in solchen Betriebsbereichen
die von den jeweiligen Injektoren 10, 12 abzugebenden
Kraftstoffmengen aufeinander ab. Die Steuereinheit 9 bestimmt
den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
der jeweils vorliegenden Betriebslast L und der Maschinendrehzahl
n. Der Steuereinheit 9 ist dabei ein Kennfeldspeicher 21 zugeordnet,
in dem im voraus ermittelte Werte für die jeweiligen Einspritzparameter
der Injektoren 10, 12 in Abhängigkeit der meßbaren Betriebsparameter
Last L und Drehzahl n abgelegt sind. Die Steuereinheit 9 kann
dabei die Kraftstoffabgabe durch die Saugrohreinspritzung und die
Direkteinspritzung derartig miteinander kombinieren oder einzeln
einsetzen, daß in unterschiedlichen
Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine äußere oder innere Gemischbildung
erfolgt. Zur Reduzierung der Abgasemission wird in die Gemischbildung
die Beimischung von Abgas der Brennkraftmaschine einbezogen und
bei der Berechnung der zuzumessenden Kraftstoffmengen berücksichtigt.
Die Beimischung von Abgas in das durch den Einlaßkanal 13 zugeführte Frischgas
kann durch Rückführung von
Abgas aus dem Auslaßkanal 14 in den
Einlaßkanal
erfolgen, wobei eine nicht dargestellte Abgasrückführungsleitung mit einem daran angeordneten
AGR-Ventil von der Steuereinheit gesteuert würde. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird
das beizumischende Abgas durch eine entsprechende Steuerung der
Gaswechselventile 6, 7 im Brennraum 4 vom
vorhergehenden Arbeitsspiel des Zylinders 2 zurückbehalten,
wodurch sich eine sogenannte Zwischenkompression ergibt, und mit
dem durch den Einlaßkanal 13 zugeführten Frischgas
vermischt. Die Menge des zurückgehaltenen
Abgases wird dabei derartig abgestimmt, daß in der Mischung mit dem sauerstoffhaltigen
Frischgas eine genügende
Sauerstoffmenge verbleibt zur vollständigen Verbrennung des im jeweiligen
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zugemessenen Kraftstoffs.
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Das
Kraftstoffgemisch wird im Brennraum 4 durch den Zündfunken
einer Zündkerze 8 zur
Verbrennung gebracht. Wie 2 anhand
eines grafischen Schaubildes des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine über Betriebslast
L und Drehzahl n veranschaulicht, ist in unteren Last- und Drehzahlbereichen
ein Kompressionszündungsbetrieb
vorgesehen, bei dem im Brennraum ein homogenes Kraftstoffgemisch
gebildet wird und eine Kompressionszündung des Gemisches vorgesehen
ist. Um im Kompressionszündbetrieb
mit Abgasrückhaltung
der Gefahr entgegen zu wirken, daß ein Teil des Kraftstoffes
in Zonen mit hohem Ab gasanteil und geringem Sauerstoffangehalt gelangt
und dort nicht vollständig
verbrennt, wird durch äußere Gemischbildung
durch Saugrohreinspritzung SRE ein bereits gut aufbereitetes Kraftstoff/Frischgasgemisch
dem Brennraum zugeführt.
Im Kompressionszündungsbetrieb
wird ein stöchiometrisches
Gemisch mit einem Luftverhältnis λ ≥ 1 gebildet.
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Erfindungsgemäß ist im
unteren Betriebsbereich des Kompressionszündbetriebes vorgesehen, wenigstens
eine Teilmenge des Kraftstoffes während der Zwischenkompression
im Zylinder direkt einzuspritzen. Durch die direkte Einspritzung
DE wird die Zündwilligkeit
des Gemisches verbessert und so die vollständige Verbrennung gefördert. Die
Direkteinspritzung während
der Zwischenkompression zur Verdichtung des Abgases im Brennraum
erweitert den für
die Kompressionszündung
zur Verfügung
stehenden Kennfeldbereich in den Bereich niedrigster Lasten. Der
Steuereinheit wird eine Schwelle für die Betriebslast L zur Aktivierung
der Direkteinspritzung vorgegeben, unterhalb derer in dem für die Kompressionszündung mit
Saugrohreinspritzung SRE zur Verfügung stehenden Bereich die
Direkteinspritzung zur Aktivierung eingesetzt wird. Das Kompressionszündungsgebiet
ist in 2 als schraffiertes
Feld dargestellt.
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In
mittleren Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine ist eine homogene
Gemischbildung vorgesehen, welche durch innere Gemischbildung mittels
Direkteinspritzung DE oder äußere Gemischbildung
mittels Saugrohreinspritzung SRE erreicht werden kann. Ebenso ist
eine Kombination innerer und äußerer Gemischbildung
und Abstimmung der durch Direkteinspritzung DE und Saugrohreinspritzung
SRE jeweils abgegebenen Teilmengen der gesamten Kraftstoffmenge
möglich
und im Hinblick auf die zur Verfügung
stehenden Freiräume
bei der Auslegung der erforderlichen Injektoren vorteilhaft. In
hohen Betriebsarten mit geringen Drehzahlen wird eine innere Gemischbildung
durch Direkteinspritzung DE als vorteilhaft gesehen. Bei hohen Betriebslasten
und hohen Drehzahlen werden beide Gemischbildner kumulativ eingesetzt,
wodurch bei Direkteinspritzung DE und Saugrohreinspritzung SRE eingesetzt
werden, so daß die
in den hohen Kennfeldbereichen erforderlichen Kraftstoffmengen zugemessen
werden können.
Dabei können
die Injektoren derartig ausgelegt werden, daß zum einen in den hohen Betriebsbereichen
die erforderlichen Kraftstoffmengen durch gleichzeitigen Einsatz
aller zur Verfügung
stehenden Injektoren zugemessen werden können und in unteren Betriebsbereichen
eine erhöhte
Genauigkeit der Kraftstoffzumessung dargestellt werden kann.
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Die
Direkteinspritzung erfolgt bei hohen Betriebslasten synchron zum
Ansaugtakt. Zur Verminderung der Klopfneigung der Brennkraftmaschine kann
auch eine zusätzliche
Nacheinspritzung von Kraftstoff während des Kompressionstaktes
des jeweiligen Zylinders erfolgen. Die Saugrohreinspritzung SRE
erfolgt vorzugsweise während
des Ansaugtaktes des jeweiligen Zylinders, wobei auch eine frühere Kraftstoffeinspritzung
durch Saugrohreinspritzung bei hohen Drehzahlen vorteilhaft sein
kann.
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In
Betriebsarten mit Direkteinspritzung ist eine zeitgesteuerte Umschaltung
auf zwischenzeitlichen Saugrohreinspritzungsbetrieb vorgesehen,
wodurch der Bildung von Ablagerungen in den Einlaßkanälen entgegengewirkt
werden kann.
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Die
Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
für einen
Kompressionszündbetrieb
mit homogener Gemischbildung und im unteren Betriebsbereich des
Kompressionszündbetriebes
vorgesehener Zündaktivierung
durch Direkteinspritzung wird vorzugsweise mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung
ausgeführt,
bei der eine Direkteinspritzung mit hohem Kraftstoffdruck von vorzugsweise
mehr als 40 bar vorgesehen ist. Für die Saugrohreinspritzung wird
eine Niederdruckeinspritzung mit einem Differenzdruck von ca. 4
bar in den Einlaßkanal
vorgesehen. Die Saugrohrinjektoren 12 und die Direkteinspritzinjektoren 10 der
Brennkraftmaschine nach 1 werden
aus einem gemeinsamen Kraftstofftank 20 versorgt, wobei
eine Hochdruckpumpe 18 über
eine Hochdruckleitung 12 die Direkteinspritzinjektoren 10 mit
Kraftstoff unter dem erforderlichen Einspritzdruck versorgt. Die
Saugrohrinjektoren 12 und die Direkteinspritzinjektoren
können
in Reihe geschaltet sein, wobei über
das Drucksteuerventil 18 des Hochdrucksystems Kraftstoff
abgesteuert wird und über
die Kraftstoffleitung 16 dem Saugrohrinjektor 12 zugeführt wird,
so daß für das Niederdrucksystem
der Saugrohreinspritzung keine separate Kraftstoffpumpe erforderlich
ist. Alternativ ist auch eine Parallelschaltung der Saugrohrinjektoren
und der Direkteinspritz-injektoren möglich, wobei in der Vorlaufleitung 17 des
Hochdruckventils 18 eine Vorförderpumpe 19 angeordnet
ist und der Kraftstoff zur Versorgung der Saugrohrinjektoren durch
eine Niederdruckleitung 16a zugeführt wird, welche vor der Hochdruckpumpe 18 aus
der Vorlaufleitung 17 abzweigt.