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    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch. Zunächst wird eine Voreinspritzung (M¶H¶) einer ersten Kraftstoffmenge in einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (10) in den Brennraum (18) eingespritzt, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum (18) ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (lambda > 1) gebildet wird, und anschließend wird eine Haupteinspritzung (M¶S¶) einer zweiten Kraftstoffmenge unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennraum (18) eingespritzt, mit welcher im Bereich der Zündkerze (26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch (lambda < 1) gebildet wird. Auf diese Weise wird die Verbrennung bei hohren Restgasraten im Brennraum (18) durch externe Abgasrückführung oder interne Abgasrückhaltung oder bei einem sehr mageren Ladungsgemisch stabilisiert, sodass die durch diese Betriebsarten erzielte Kraftstoffersparnis optimiert werden kann.The invention relates to a method for operating a spark-ignition internal combustion engine (10) with direct fuel injection at high residual gas rates or very lean charge mixture. First, a pre-injection (M¶H¶) of a first amount of fuel in an intake stroke of the internal combustion engine (10) is injected into the combustion chamber (18), with which substantially in the entire combustion chamber (18) a homogeneous, lean fuel-air mixture ( lambda> 1), and then a main injection (M¶S¶) of a second amount of fuel immediately before the ignition timing (ZT) is injected into the combustion chamber (18), with which in the region of the spark plug (26) a stratified, rich fuel Air mixture (lambda <1) is formed. In this way, the combustion is stabilized at high residual gas rates in the combustion chamber (18) by external exhaust gas recirculation or internal exhaust gas retention or a very lean mixture of charges, so that the fuel savings achieved by these modes can be optimized.
    公开号:DE102004017989A1
    申请号:DE102004017989
    申请日:2004-04-14
    公开日:2005-11-03
    发明作者:Christoph Dipl.-Ing. Lux；Michael Dipl.-Ing. Oechsle
    申请人:DaimlerChrysler AG；
    IPC主号:F02D41-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesonderezum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschinemit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasraten oder sehrmagerem Ladungsgemisch.TheThe invention relates to a method for operating a spark-ignited internal combustion engine, in particularfor operating a spark-ignited internal combustion enginewith direct fuel injection at high residual gas rates or verylean mixture of charges.
    [0002] BeiOttomotoren mit Saugrohreinspritzung sowie bei in homogener Betriebsweisebetriebenen direkteinspritzenden Ottomotoren kann durch eine interneRestgasrückhaltungoder eine externe Rückführung vonVerbrennungsgasen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erzieltwerden. Dies ist in der sogenannten Entdrosselung begründet. Darunter verstehtman die Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch eine Erhöhung desSaugrohrdrucks. Die Erhöhungdes Saugrohrdrucks wird möglich,da sich durch das Wiederansaugen von Restgas die Gesamtladung erhöht und dahereine größere Luftmengewährenddes Ansaughubs in den Brennraum gelangen muss. Je größer dierückgeführte Restgasmenge,um so höherwird die Gesamtladung im Brennraum und damit auch der benötigte Saugrohrdruck.Begrenzt wird die möglicheAbgasrückführrate durchdie sich mit steigendem Restgasgehalt verschlechternde Verbrennungsstabilität.atGasoline engines with intake manifold injection as well as in homogeneous operationoperated direct injection gasoline engines can by an internalResidual gas containmentor an external feedback fromCombustion gases achieved a reduction in fuel consumptionbecome. This is due to the so-called de-throttling. Under it understandsone the reduction of the charge change work by an increase of theIntake manifold pressure. The increasethe intake manifold pressure becomes possiblebecause the total charge increases due to the re-suction of residual gas and thereforea larger amount of airwhileof the intake stroke must enter the combustion chamber. The bigger therecycled residual gas quantity,the higheris the total charge in the combustion chamber and thus the required intake manifold pressure.Limited is the possibleExhaust gas recirculation rate throughthe deteriorating with increasing residual gas content combustion stability.
    [0003] Einweiterer Vorteil von Abgasrückführung oder-rückhaltungist das Absenken der Brennraumtemperatur durch die Anwesenheit vonInertgas währendder Verbrennung. Das Inertgas wird während der Verbrennung vom heißen Verbrennungsgaserwärmtund entzieht dabei dem Verbrennungsgas entsprechend Energie. Diegeringere Brennraumtemperatur reduziert die Bildung von Stickoxidendeutlich, da die Bildung von Stickoxiden in erster Linie von der Temperaturabhängt.Hohe Temperaturen und die Anwesenheit von Sauerstoff begünstigendie Stickoxidbildung.OneAnother advantage of exhaust gas recirculation or-rückhaltungis the lowering of the combustion chamber temperature by the presence ofInert gas duringthe combustion. The inert gas is produced during the combustion of the hot combustion gasheatedand deprives the combustion gas accordingly energy. Thelower combustion chamber temperature reduces the formation of nitrogen oxidesclearly, since the formation of nitrogen oxides primarily from the temperaturedepends.High temperatures and the presence of oxygen favorthe nitric oxide formation.
    [0004] EinBetrieb eines Ottomotors mit magerem Ladungsgemisch ermöglicht ebenfallseine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Auch in diesem Fall erhöht sichdurch die größere angesaugteLuftmasse, die hier allerdings nur aus Frischluft besteht, die Ladungsmengeund somit der Saugrohrdruck. Das bei der Verbrennung entstehendeMoment wird durch die eingespritzte Kraftstoffmenge vorgegeben,reduziert um den niedrigeren Verbrennungswirkungsgrad bei magererVerbrennung.OneOperation of a gasoline engine with lean charge mixture also allowsa reduction in fuel consumption. Also in this case increasessucked in by the larger oneAir mass, which consists here only of fresh air, the amount of chargeand thus the intake manifold pressure. The resulting from the combustionMoment is given by the amount of fuel injected,reduced by the lower combustion efficiency in leanerCombustion.
    [0005] Durchden Sauerstoffüberschussbei der Verbrennung wird die Bildung von Stickoxiden begünstigt.Diese könnenaufgrund der Anwesenheit von Sauerstoff im Verbrennungsgas von einem3-Wege-Katalysatornicht zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert werden und müssen durcheinen NOx-Speicherkat oder dergleichen aufwändige Abgasreinigungstechnologienbeseitigt werden. Aus diesem Grund muss die Bildung von Stickoxidenschon währendder Verbrennung minimiert werden, was hauptsächlich durch ein Absenken derBrennraumtemperatur erreicht werden kann. Die Brennraumtemperatursinkt mit steigendem Luftüberschuss;eine magere Betriebsart muss also mit möglichst hohem Luftüberschussbetrieben werden.Bythe excess of oxygenduring combustion, the formation of nitrogen oxides is favored.these candue to the presence of oxygen in the combustion gas of one3-way catalystdo not need to be reduced to nitrogen and oxygen and have to go througha NOx storage or the like consuming exhaust gas purification technologiesbe eliminated. For this reason, the formation of nitrogen oxidesalready duringbe minimized combustion, mainly by lowering theCombustion chamber temperature can be achieved. The combustion chamber temperaturedecreases with increasing excess air;a lean mode of operation must therefore with the highest possible air surplusoperate.
    [0006] Esist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betriebeiner Brennkraftmaschine vorzusehen, welches auch bei hohen Restgasraten odersehr magerem Ladungsgemisch die Verbrennung im Brennraum stabilisiertund die Stickoxidemission reduziert.ItIt is therefore an object of the invention to provide a method of operationto provide an internal combustion engine, which also at high residual gas rates orvery lean mixture of charges stabilizes the combustion in the combustion chamberand reduces the nitrogen oxide emission.
    [0007] DieseAufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mitKraftstoffdirekteinspritzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. VorteilhafteAusgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstandder Unteransprüche2 bis 9.TheseTask is by a method for operating a spark-ignition internal combustion engine withDirect fuel injection solved with the features of claim 1. advantageousEmbodiments and developments of the invention are the subjectthe dependent claims2 to 9.
    [0008] Beidem erfindungsgemäßen Verfahrenzum Betrieb einer fremdgezündetenBrennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohen Restgasratenoder sehr magerem Ladungsgemisch wird einem Brennraum Verbrennungsluftzugeführt;in den Brennraum wird mittels eines Kraftstoffinjektors Kraftstoffeingespritzt; und ein in dem Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemischwird mittels einer Zündkerzezu einem vorbestimmten Zündzeitpunktgezündet.Das erfindungsgemäße Verfahrenzeichnet sich dadurch aus, dass eine Voreinspritzung einer ersten Kraftstoffmengein einem Ansaughub der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritztwird, mit welcher im Wesentlichen in dem gesamten Brennraum einhomogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch(λ > 1) gebildet wird;und dass anschließend eineHaupteinspritzung einer zweiten Kraftstoffmenge unmittelbar vordem Zündzeitpunktin den Brennraum eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerzeeine geschichtete, fette Kraftstoff-Luft-Wolke (λ < 1) gebildet wird.atthe method according to the inventionto operate a spark-ignitionInternal combustion engine with direct fuel injection at high residual gas ratesor very lean charge mixture is a combustion chamber combustion airsupplied;into the combustion chamber by means of a fuel injector fuelinjected; and a fuel-air mixture formed in the combustion chamberis done by means of a spark plugat a predetermined ignition timingignited.The inventive methodis characterized in that a pilot injection of a first amount of fuelinjected into the combustion chamber in an intake stroke of the internal combustion engineis, with which essentially in the entire combustion chamberhomogeneous, lean fuel-air mixture(λ> 1) is formed;and then aMain injection of a second amount of fuel immediately beforethe ignition timingis injected into the combustion chamber, with which in the area of the spark pluga layered, rich fuel-air cloud (λ <1) is formed.
    [0009] Beidem erfindungsgemäßen Verfahrenwird die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge auf zweiEinspritzmengen aufgeteilt. Die Voreinspritzung erfolgt im Ansaughubder Brennkraftmaschine, um im gesamten Brennraum ein homogenes, mageresKraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Mit der Haupteinspritzung imArbeitshub der Brennkraftmaschine wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunktein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich derZündkerzegebildet, sodass selbst bei sehr späten Zündzeitpunkten eine sichereEntflammung dieser Ladungswolke ermöglicht wird. Außerdem wirddurch die geschichtete Haupteinspritzung unter hohem Druck im Bereichder Zündkerzeeine verstärkteTurbulenz erzeugt. Durch die homogene, magere Voreinspritzung wirdein höhererLuftüberschussbereit gestellt, was eine Reduzierung der Stickoxidemission bewirkt,und die geschichtete, fette Haupteinspritzung verbessert die Verbrennungsstabilität bei gleichbleibender Laufruhe der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kannder Vorteil der Kraftstoffersparnis durch einen Betrieb der Brennkraftmaschinebei hohen Restgasraten oder sehr magerem Ladungsgemisch optimiertwerden.In the method according to the invention, the amount of fuel injected into the combustion chamber is divided into two injection quantities. The pilot injection takes place in the intake stroke of the internal combustion engine in order to form a homogeneous, lean fuel-air mixture in the entire combustion chamber. With the main injection in the working stroke of the internal combustion engine, a stratified, rich fuel-air mixture in the region of the spark plug is formed immediately before the ignition time, so that a reliable ignition of this charge cloud is made possible even at very late ignition times. In addition, the layered main injection under high pressure in the region of the spark plug produces increased turbulence. By the homogeneous, ma More pre-injection, a higher air surplus is provided, which causes a reduction of the nitrogen oxide emission, and the stratified, rich main injection improves the combustion stability while maintaining smooth running of the internal combustion engine. In this way, the advantage of the fuel economy can be optimized by operating the internal combustion engine at high residual gas rates or very lean mixture of charges.
    [0010] Ineiner bevorzugten Ausführungsformder Erfindung wird die Haupteinspritzung als Mehrfacheinspritzungmit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt. Durch dieseMehrfacheinspritzung wird die Durchmischung des geschichtet eingespritztenKraftstoffes mit der Frischluft und dem Restgas verbessert, dieTurbulenz im Bereich der Zündkerzeerhöhtund damit die Verbrennung weiter stabilisiert.Ina preferred embodimentThe invention is the main injection as a multiple injectionperformed with multiple layer injections in short time sequence. Through thisMultiple injection is injected the blending of the layeredImproves fuel with the fresh air and the residual gas, theTurbulence around the spark plugelevatedand thus further stabilize the combustion.
    [0011] Ineiner Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung alsDoppeleinspritzung mit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt. Indiesem Fall kann der Zündzeitpunktentweder nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzungoder zwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung derHaupteinspritzung liegen.InAn embodiment of the invention is the main injection asDouble injection performed with two layer injections. InIn this case, the ignition timingeither after the second injection of the main injectionor between the first and second layer injectionsMain injection lie.
    [0012] Ineiner alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzungals Dreifacheinspritzung mit drei Schichteinspritzungen durchgeführt. In diesemFall kann der Zündzeitpunktnach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oder wahlweisezwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten undder dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegen.InAn alternative embodiment of the invention becomes the main injectionperformed as a triple injection with three layer injections. In thisCase may be the ignition timingafter the third injection of the main injection or alternativelybetween the first and the second or between the second andthe third layer injection of the main injection lie.
    [0013] Ineiner weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Voreinspritzungim 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 vondem maximal erreichbaren Luftüberschussvorzugsweise ein deutlich magereres Ladungsgemisch erzeugt.InA further embodiment of the invention is by the pre-injectionin the case of operation at high residual gas rates, a slightly lean fuel-air mixture,in particular, a fuel-air mixture with λ ≈ 1.3 is generated in the combustion chamber.In lean operation of the internal combustion engine, depending onthe maximum achievable excess airpreferably produces a significantly leaner charge mixture.
    [0014] ImFall des Betriebs der Brennkraftmaschine bei hohen Restgasratensollte das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzunggemittelt überden gesamten Brennraum bevorzugt stöchiometrisch (λ = 1), imFall des homogenen Magerbetriebs der Brennkraftmaschine ist dieseshingegen bevorzugt mager.in theCase of operation of the internal combustion engine at high residual gas ratesshould the fuel-air mixture after the second shift injectionaveraged overthe entire combustion chamber preferably stoichiometric (λ = 1), imCase of the homogeneous lean operation of the internal combustion engine is thishowever, preferably lean.
    [0015] DerZündzeitpunktentspricht dem üblichen Zündzeitpunktin einer herkömmlichenhomogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine, d.h. er liegt je nachBetriebspunkt der Brennkraftmashcine bevorzugt zwischen 0°Kw und 35°Kw vor demoberen Zünd-Totpunkt.Of theignition timingcorresponds to the usual ignition timingin a conventionalhomogeneous operating mode of the internal combustion engine, i. he is depending onOperating point of Brennkraftmashcine preferred between 0 ° Kw and 35 ° Kw beforeupper ignition dead center.
    [0016] Ineiner weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt das Ende der Haupteinspritzungbzw. der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung etwa 2°KW bis 10°Kw vor demZündzeitpunkt.InAnother embodiment of the invention is the end of the main injectionor the first layer injection of the main injection about 2 ° CA to 10 ° Kw before theIgnition timing.
    [0017] Ineiner noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auch die Voreinspritzungals Mehrfacheinspritzung mit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt. Durchdiese Maßnahmewird die Homogenitätdes Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Brennraum weiter verbessert.InA still further embodiment of the invention is also the pilot injectionperformed as a multiple injection with multiple homogeneous injections. ByThis measurewill the homogeneitythe fuel-air mixture throughout the combustion chamber further improved.
    [0018] WeitereMerkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibungsowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindungsind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgendenBeschreibung näher erläutert. Dabeizeigen:FurtherFeatures and combinations of features result from the descriptionas well as the drawings. Specific embodiments of the inventionare shown in simplified form in the drawings and in the followingDescription explained in more detail. theredemonstrate:
    [0019] 1 eineschematische Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder einerfremdgezündeten Brennkraftmaschinemit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei welcher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindungeingesetzt werden kann; 1 a schematic cross-sectional view through a cylinder of a spark-ignited internal combustion engine with direct fuel injection, in which the method according to the present invention can be used;
    [0020] 2 einschematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs derBrennkraftmaschine von 1, aufgetragen über demKurbelwinkel, gemäß der vorliegendenErfindung; 2 a schematic diagram of a first embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of 1 plotted against the crank angle, according to the present invention;
    [0021] 3 einschematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs derBrennkraftmaschine von 1, aufgetragen über demKurbelwinkel, gemäß der vorliegendenErfindung; 3 a schematic diagram of a second embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of 1 plotted against the crank angle, according to the present invention;
    [0022] 4 einschematisches Diagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs derBrennkraftmaschine von 1, aufgetragen über demKurbelwinkel, gemäß der vorliegendenErfindung; und 4 a schematic diagram of a third embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of 1 plotted against the crank angle, according to the present invention; and
    [0023] 5 einschematisches Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels eines Einspritzverlaufs derBrennkraftmaschine von 1, aufgetragen über demKurbelwinkel, gemäß der vorliegendenErfindung. 5 a schematic diagram of a fourth embodiment of an injection curve of the internal combustion engine of 1 plotted against the crank angle according to the present invention.
    [0024] 1 zeigtstark vereinfacht einen Zylinder 12 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 10 mitKraftstoffdirekteinspritzung. In dem Zylinder 12 wird einBrennraum 18 durch einen Kolben 14 und einen denZylinder 12 verschließendenZylinderkopf 16 begrenzt. Im Zylinderkopf 16 istzentral ein Kraftstoffinjektor 20 angeordnet, mit welchemdurch eine Düsenöffnung 22 Kraftstoffin den Brennraum 18 eingespritzt werden kann. Eine Steuereinrichtung(nicht dargestellt) bestimmt währendeiner Startphase der Brennkraftmaschine 10 u.a. die Einspritzzeitpunkte desKraftstoffes mit den zugehörigenKraftstoffmengen und einen Zündzeitpunkt,an dem mittels einer Zündkerze 26 oderdergleichen ein im Brennraum gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. 1 shows a cylinder with great simplicity 12 a spark-ignited internal combustion engine 10 with direct fuel injection. In the cylinder 12 becomes a combustion chamber 18 through a piston 14 and one the cylinder 12 closing cylinder head 16 limited. In the cylinder head 16 is centrally a fuel injector 20 arranged, with which through a nozzle opening 22 Fuel in the combustion chamber 18 can be injected. A control device (not shown) determined during a starting phase of the internal combustion engine 10 among other things, the injection times of the fuel with the associated amounts of fuel and an ignition point at which by means of a spark plug 26 or the like, a fuel-air mixture formed in the combustion chamber is ignited.
    [0025] Beider Freigabe der Düsenöffnung 22 des Kraftstoffinjektors 20 wirdder Kraftstoff in Form eines Kegelstrahls 24 mit einem Öffnungswinkelzwischen 70° und110° inden Brennraum 18 eingespritzt. Die Positionierung der Zündkerze 26 imBrennraum 18 ist derart gewählt, dass die Elektroden 28 derZündkerze 26 durchden eingespritzten Kraftstoffkegel 24 nicht benetzt werden.When releasing the nozzle opening 22 of the fuel injector 20 the fuel is in the form of a cone beam 24 with an opening angle between 70 ° and 110 ° in the combustion chamber 18 injected. The positioning of the spark plug 26 in the combustion chamber 18 is chosen such that the electrodes 28 the spark plug 26 through the injected fuel cone 24 not be wetted.
    [0026] Diein 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 arbeitetvorzugsweise nach dem Viertakt-Prinzip .In einem ersten Takt einesArbeitsspiels der Brennkraftmaschine 10, dem sogenanntenAnsaughub, wird dem Brennraum 18 durch einen Einlasskanal(nicht dargestellt) Verbrennungsluft zugeführt. Dabei bewegt sich derKolben 14 in einer Abwärtsbewegungbis zu einem unteren Totpunkt UT. In einem weiteren Kompressionshubder Brennkraftmaschine 10 bewegt sich der Kolben 14 ineiner Aufwärtsbewegungvom unteren Totpunkt UT bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt ZOT. In einem nachfolgendenExpansionshub bewegt sich der Kolben 14 in einer Abwärtsbewegungwieder bis zu einem unteren Totpunkt UT; und in einem vierten Ausschiebehub fährt derKolben 14 in einer Aufwärtsbewegungbis zu einem oberen Totpunkt OT, um dabei die Abgase aus dem Brennraum 18 auszuschieben.In the 1 illustrated internal combustion engine 10 works preferably according to the four-stroke principle .In a first cycle of a working cycle of the internal combustion engine 10 , the so-called intake stroke, is the combustion chamber 18 through an inlet duct (not shown) supplied combustion air. The piston moves 14 in a downward movement to a bottom dead center UT. In a further compression stroke of the internal combustion engine 10 the piston moves 14 in an upward movement from bottom dead center UT to an upper ignition dead center ZOT. In a subsequent expansion stroke, the piston moves 14 in a downward movement again to a bottom dead center UT; and in a fourth Ausschiebehub the piston moves 14 in an upward movement up to a top dead center OT, while the exhaust gases from the combustion chamber 18 eject.
    [0027] Zieldes erfindungsgemäßen Verfahrensist es, eine Einspritzstrategie für eine Brennkraftmaschine vorzusehen,die eine externe Rückführung oder interneRückhaltungvon großenRestgasraten oder den Betrieb bei einem sehr mageren Ladungsgemischerlaubt, um eine möglichsthohe Kraftstoffersparnis zu erzielen. Hierbei sollen gleichzeitigdie Verbrennung stabilisiert, die Laufruhe beibehalten und die Stickoxidemissionreduziert werden.aimthe method according to the inventionit is to provide an injection strategy for an internal combustion engine,which is an external feedback or internal feedbackretentionof big onesResidual gas rates or operation with a very lean charge mixtureallowed to one as possibleto achieve high fuel economy. This should be done simultaneouslythe combustion stabilizes, keeps the smoothness and the nitrogen oxide emissionbe reduced.
    [0028] Anhandder Darstellungen der 2 bis 5 werdenverschiedene bevorzgte Ausführungsbeispieleder Erfindung nähererläutert.Dabei sind jeweils die Einspritzvorgänge ES der Brennkraftmaschine 10 über demKurbelwinkel °KWaufgetragen.Based on the representations of 2 to 5 Various preferred embodiments of the invention will be explained in more detail. In each case, the injection processes ES of the internal combustion engine 10 applied over the crank angle ° KW.
    [0029] Einwesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Aufteilungdes eingespritzten Kraftstoffs in zwei Teile, nämlich eine homogene VoreinspritzungMH und eine geschichtete HaupteinspritzungMS. Zunächstwird im Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 eine ersteKraftstoffmenge in einer Voreinspritzung MH eingespritzt,sodass im gesamten Brennraum 18 ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemischmit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ > 1 gebildet wird. ImGegensatz zu herkömmlichenHomogeneinspritzungen wird bei hohen Restgasraten im Brennraum 18 einleicht mageres Gemisch, bevorzugt mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ von etwa 1,3gebildet. Bei magerer Betriebsweise der Brennkraftmaschine wirdin Abhängigkeitvon dem maximal erreichbaren Luftüberschuss ein deutlich magereres Gemischgebildet.An essential point of the method according to the invention is the division of the injected fuel into two parts, namely a homogeneous pre-injection M H and a stratified main injection M S. First, in the intake stroke of the internal combustion engine 10 injected a first amount of fuel in a pilot injection M H , so in the entire combustion chamber 18 a homogeneous fuel-air mixture with a fuel-air ratio λ> 1 is formed. In contrast to conventional homogeneous injections, with high residual gas rates in the combustion chamber 18 a slightly lean mixture, preferably formed with a fuel-air ratio λ of about 1.3. In lean operation of the internal combustion engine, a significantly leaner mixture is formed depending on the maximum achievable excess air.
    [0030] Kurzvor dem ZündzeitpunktZT, welcher dem üblichenZündzeitpunktbei einer homogenen Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 entspricht undwelcher je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zwischen 0°Kw und etwa35°Kw vordem oberen Zünd-Totpunkt(ZOT) liegt, wird unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT eine zweiteKraftstoffmenge in einer Haupteinspritzung MS inden Brennraum 18 als Schichteinspritzung eingespritzt.Da der ZündzeitpunktZT von der Leerlaufregelung, der Klopfregelung oder anderen Regelungseingriffenbeeinflusst werden kann, muss der Einspritzzeitpunkt der HaupteinspritzungMS an den Zündzeitpunkt ZT gekoppelt sein.Diese Koppelung erfolgt übereinen bedatbaren, vom Betriebspunkt abhängigen Abstandswinkel Δ zwischendem Ende der geschichteten Haupteinspritzung MS unddem ZündzeitpunktZT. Dieser Abstandswinkel Δ liegtbevorzugt in einem Kurbelwinkelbereich von 2°Kw bis 10°Kw vor dem Zündzeitpunkt ZT.Shortly before the ignition timing ZT, which is the usual ignition timing in a homogeneous operating mode of the internal combustion engine 10 corresponds and which is depending on the operating point of the internal combustion engine between 0 ° Kw and about 35 ° Kw before the upper ignition dead center (ZOT), immediately before the ignition ZT a second amount of fuel in a main injection M S in the combustion chamber 18 injected as stratified injection. Since the ignition timing ZT can be influenced by the idling control, the knock control or other control actions, the injection timing of the main injection M S must be coupled to the ignition timing ZT. This coupling takes place via a controllable, operating point dependent distance angle Δ between the end of the stratified main injection M S and the ignition timing ZT. This distance angle Δ is preferably in a crank angle range of 2 ° Kw to 10 ° Kw before the ignition timing ZT.
    [0031] Zweckdieser geschichteten Haupteinspritzung MS istdie Bildung einer leicht fetten (λ < 1, z.B. λ ≈ 0,8), trotzdes hohen Restgasgehaltes im Brennraum 18 sicher entflammbarenLadungswolke 30 in der Nähe der Zündkerze 26 zum ZündzeitpunktZT. Durch die Schaffung optimaler Bedingungen an der Zündkerze 26 zumZündzeitpunktZT wird eine hohe Entflammungssicherheit erreicht. Aus diesem Bereichkann sich dann die Flammenfront in die Bereiche des Brennraums 18 fortsetzen,in denen das Ladungsgemisch zwar brennbar, aber aufgrund der hohenRestgasrate nicht sicher zündfähig ist.The purpose of this stratified main injection M S is the formation of a slightly rich (λ <1, eg λ ≈ 0.8), despite the high residual gas content in the combustion chamber 18 safe flammable charge cloud 30 near the spark plug 26 to ignition ZT. By creating optimal conditions on the spark plug 26 at ignition ZT a high ignition resistance is achieved. From this area can then the flame front in the areas of the combustion chamber 18 continue, in which the charge mixture is flammable, but not sure flammable due to the high residual gas rate.
    [0032] Beidirekteinspritzenden Ottomotoren mit strahlgeführtem Brennverfahren ist dieAusbildung der Ladungswolke 30 in erster Linie von derStrahlausbildung abhängigund somit von der Kolbenposition und der Brennrauminnenströmung unabhängig. DieAusbildung des Einspritzstrahls hängt vor allem von der Formder Einspritzdüse 22 sowiedem Einspritzdruck ab.In direct-injection gasoline engines with spray-guided combustion process is the formation of the charge cloud 30 primarily dependent on the beam formation and thus independent of the piston position and the internal combustion chamber flow. The formation of the injection jet depends primarily on the shape of the injection nozzle 22 and the injection pressure.
    [0033] Durchdas in 2 veranschaulichte und oben beschriebene Einspritzverfahrengemäß der Erfindungwird einerseits durch die homogene Voreinspritzung MH einhoher Luftüberschussim Brennraum erzielt, was trotz einer mageren Betriebsart zu einer Reduzierungder Stickoxidemission führt,und andererseits wird durch die geschichtete Haupteinspritzung MS zum ZündzeitpunktZT eine sicher entflammbare Ladungswolke im Bereich der Zündkerze 26 zur Verfügung gestellt,was trotz eines hohen Restgasgehalts im Brennraum 18 zueiner stabilen Verbrennung und einer Verringerung der Brennraumtemperaturführt.Auf diese Weise kann somit ein Betrieb der Brennkraftmaschine mithohem Restgasgehalt oder sehr magerem Ladungsgemisch durchgeführt werden,bei dem die Kraftstoffersparnisse optimiert und gleichzeitig dieStickoxidemission reduziert ist.Through the in 2 illustrated and described above injection method according to the invention is achieved on the one hand by the homogeneous pilot injection M H a high excess air in the combustion chamber, which despite a lean mode leads to a reduction of nitrogen oxide emission, and on the other hand, by the stratified main injection M S at the ignition ZT a safe flame bare charge cloud in the area of the spark plug 26 provided, despite a high residual gas content in the combustion chamber 18 leads to a stable combustion and a reduction of the combustion chamber temperature. In this way, an operation of the internal combustion engine with a high residual gas content or very lean charge mixture can thus be carried out, in which the fuel savings are optimized and at the same time the nitrogen oxide emission is reduced.
    [0034] Vorzugsweiseist das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ nach dergeschichteten Haupteinspritzung MS gemittelt über dengesamten Brennraum 18 im Fall von hohen Restgasgehalten stöchiometrisch(λ ≈ 1). Bei einemhomogenen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 10 ist diesesKraftstoff-Luft-Verhältnisdagegen mager.Preferably, the fuel-air ratio λ after the stratified main injection M S averaged over the entire combustion chamber 18 in the case of high residual gas contents stoichiometric (λ ≈ 1). In a homogeneous lean operation of the internal combustion engine 10 By contrast, this fuel-air ratio is lean.
    [0035] Während imersten Ausführungsbeispielvon 2 die geschichtete Haupteinspritzung MS in Form einer Einfacheinspritzung erfolgte,wird die geschichtete Haupteinspritzung MS imzweiten Ausführungsbeispielvon 3 unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZT als Doppeleinspritzungmit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung innerhalbweniger Millisekunden durchgeführt.Durch die getaktete Ausführungder geschichteten Haupteinspritzung MS als Mehrfacheinspritzungwird die Gemischbildung der fetten Ladungswolke 30 im Bereichder Zündkerze 26 aufgrundeiner besseren Durchmischung des Kraftstoffdampfes mit der Frischluftund damit auch die Laufruhe der Brennkraftmaschine 10 weiterverbessert. Außerdemwird durch die Mehrfacheinspritzung auch die Turbulenz im Bereichder Zündkerze 26 erhöht und somitdie Verbrennung weiter stabilisiert.While in the first embodiment of 2 When the stratified main injection M S is in the form of a single injection, the stratified main injection M S in the second embodiment of FIG 3 performed immediately before the ignition timing ZT as a double injection with a first and a second layer injection within a few milliseconds. Due to the clocked execution of the stratified main injection M S as a multiple injection, the mixture formation of the rich charge cloud 30 in the area of the spark plug 26 due to a better mixing of the fuel vapor with the fresh air and thus the smoothness of the engine 10 further improved. In addition, the multiple injection also causes turbulence in the region of the spark plug 26 increases and thus further stabilizes the combustion.
    [0036] Wiein 3 angedeutet, kann der Zündzeitpunkt ZT im Fall einergeschichteten Doppeleinspritzung MS entwedererst nach der zweiten Schichteinspritzung der HaupteinspritzungMS oder aber zwischen der ersten und derzweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung MS liegen.Der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung MS istdabei derart an den ZündzeitpunktZT gekoppelt, dass der Abstandswinkel Δ zwischen dem Ende der ersten Schichteinspritzungder Haupteinspritzung MS und dem Zündzeitpunktin Abhängigkeitvom Betriebspunkt bevorzugt etwa 2°KW bis etwa 10°KW beträgt.As in 3 In the case of a stratified double injection M S , the ignition time ZT may either be only after the second layer injection of the main injection M S or between the first and the second stratified injection of the main injection M S. In this case, the injection time of the main injection M S is coupled to the ignition time ZT in such a way that the distance angle Δ between the end of the first layer injection of the main injection M S and the ignition point as a function of the operating point is preferably approximately 2 ° CA to approximately 10 ° CA.
    [0037] Die übrigen Aspektedes zweiten Ausführungsbeispielsund die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile entsprechen jenendes ersten Ausführungsbeispielsvon 2.The remaining aspects of the second embodiment and the advantages achievable with this method correspond to those of the first embodiment of FIG 2 ,
    [0038] Während imzweiten Ausführungsbeispiel dieHaupteinspritzung MS als Doppeleinspritzungmit einer ersten und einer zweiten Schichteinspritzung ausgeführt wird,wird die Haupteinspritzung MS im drittenAusführungsbeispielvon 4 als Dreifacheinspritzung mit einer ersten, einerzweiten und einer dritten Schichteinspritzung durchgeführt. Der Abstandswinkel Δ zwischendem Ende der ersten Schichteinspritzung und dem ZündzeitpunktZT beträgtauch in diesem Fall bevorzugt etwa 2°KW bis etwa 10°KW.While in the second embodiment, the main injection M S is performed as a double injection with a first and a second layer injection, the main injection M S in the third embodiment of 4 performed as a triple injection with a first, a second and a third layer injection. The distance angle Δ between the end of the first stratified injection and the ignition time ZT is also in this case preferably about 2 ° CA to about 10 ° CA.
    [0039] Wiein 4 dargestellt, erfolgt die Zündung ZT wahlweise zwischender ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten und der drittenSchichteinspritzung der geschichteten Haupteinspritzung MS oder wahlweise auch erst nach der drittenSchichteinspritzung der Haupteinspritzung MS.As in 4 1, the ignition ZT is optionally carried out between the first and the second or between the second and the third stratified injection of the stratified main injection M S or optionally also only after the third stratified injection of the main injection M S.
    [0040] Dasin 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindungunterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel von 4 dadurch, dassauch die homogene Voreinspritzung MH als Mehrfacheinspritzung,in dem gezeigten Ausführungsbeispielals Doppeleinspritzung, ausgeführt wird.Durch diese homogene Doppeleinspritzung wird die Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches imgesamten Brennraum weiter verbessert.This in 5 illustrated fourth embodiment of the invention differs from the third embodiment of 4 in that the homogeneous pilot injection M H is also carried out as a multiple injection, in the exemplary embodiment shown as a double injection. Through this homogeneous double injection, the homogeneity of the fuel-air mixture in the entire combustion chamber is further improved.
    [0041] Essei an dieser Stelle ausdrücklichdarauf hingewiesen, dass diese homogene Mehrfacheinspritzung MH von 5 auch mitallen anderen gezeigten Ausführungsbeispielenkombiniert werden kann, ohne dass dies explizit dargestellt ist.It should be expressly pointed out at this point that this homogeneous multiple injection M H of 5 can also be combined with all other embodiments shown, without this being shown explicitly.
    [0042] Dievorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschinemit Kraftstoffdirekteinspritzung. Die Vorteile der vorliegendenErfindung liegen insbesondere in der Stabilisierung der Verbrennungbei hohen Restgasraten im Brennraum durch externe Abgasrückführung oderinterne Abgasrückhaltungdurch geeignete Ventilsteuerzeiten; der Stabilisierung der Verbrennung beiBetrieb mit magerem Ladungsgemisch; der Einsparung von Kraftstoffdurch die Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch Entdrosselnmittels externer Abgasrückführung oderinterner Abgasrückhaltung;der Einsparung von Kraftstoff durch eine Reduzierung der Ladungswechselarbeitdurch Entdrosseln mittels magerem Betrieb der Brennkraftmaschine;und der Reduzierung der Stickoxidbildung durch Absenken der Brennraumtemperaturdurch die Anwesenheit erhöhterInertgasmengen bzw. durch die Verbrennung mit erhöhtem Luftüberschuss.TheThe present invention is particularly suitable for a spark-ignition internal combustion enginewith direct fuel injection. The advantages of the presentInvention are in particular in the stabilization of combustionAt high residual gas rates in the combustion chamber by external exhaust gas recirculation orinternal exhaust gas retentionby suitable valve timing; stabilization of combustionOperation with lean charge mixture; the saving of fuelby reducing the charge exchange work by dethrottlingby means of external exhaust gas recirculation orinternal exhaust gas retention;the saving of fuel through a reduction of the charge exchange workby dethrottling by means of lean operation of the internal combustion engine;and reducing nitrogen oxide formation by lowering the combustion chamber temperatureby the presence of increasedInertgasmengen or by the combustion with increased excess air.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1]
    Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine(10) mit Kraftstoffdirekteinspritzung bei hohem Restgasgehaltoder sehr magerem Ladungsgemisch, bei welchem einem Brennraum(18) Verbrennungsluft zugeführt wird; in den Brennraum(18) mittels eines Kraftstoffinjektors (20) Kraftstoffeingespritzt wird; und ein in dem Brennraum (18) gebildetesKraftstoff-Luft-Gemischmittels einer Zündkerze(26) zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt (ZT) gezündet wird,wobei eine Voreinspritzung (MH) einer ersten Kraftstoffmengein einem Ansaughub der Brennkraftmaschine (10) in den Brennraum(18) eingespritzt wird, mit welcher im Wesentlichen indem gesamten Brennraum (18) ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch(λ > 1) gebildet wird;und anschließendeine Haupteinspritzung (MS) einer zweitenKraftstoffmenge unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt (ZT) in den Brennraum(18) eingespritzt wird, mit welcher im Bereich der Zündkerze(26) ein geschichtetes, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch(λ < 1) gebildet wird.Method for operating a spark-ignited internal combustion engine ( 10 ) with direct fuel injection at high residual gas content or very lean charge mixture, in which a combustion chamber ( 18 ) Combustion air is supplied; into the combustion chamber ( 18 ) by means of a fuel injector ( 20 ) Fuel is injected; and one in the combustion chamber ( 18 ) formed force substance-air mixture by means of a spark plug ( 26 ) is ignited to a predetermined ignition timing (ZT), wherein a pilot injection (M H ) of a first amount of fuel in an intake stroke of the internal combustion engine (ZT) 10 ) in the combustion chamber ( 18 ) is injected, with which substantially in the entire combustion chamber ( 18 ) a homogeneous, lean fuel-air mixture (λ> 1) is formed; and then a main injection (M S ) a second amount of fuel immediately before the ignition (ZT) in the combustion chamber ( 18 ) is injected, with which in the area of the spark plug ( 26 ) a stratified, rich fuel-air mixture (λ <1) is formed.
    [2]
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Haupteinspritzung (MS) als Mehrfacheinspritzungmit mehreren Schichteinspritzungen in zeitlich kurzer Abfolge durchgeführt wird.A method according to claim 1, characterized in that the main injection (M S ) is carried out as a multiple injection with multiple layer injections in short time sequence.
    [3]
    Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Haupteinspritzung (MS) als Doppeleinspritzungmit zwei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt(ZT) nach der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oderzwischen der ersten und der zweiten Schichteinspritzung der Haupteinspritzungliegt.A method according to claim 2, characterized in that the main injection (M S ) is carried out as a double injection with two stratified injections and the ignition timing (ZT) after the second injection of the main injection layer or between the first and the second injection of the main injection layer.
    [4]
    Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Haupteinspritzung (MS) als Dreifacheinspritzungmit drei Schichteinspritzungen durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt(ZT) nach der dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung oderzwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der zweiten undder dritten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung liegt.A method according to claim 2, characterized in that the main injection (M S ) is performed as a triple injection with three stratified injections and the ignition timing (ZT) after the third injection of the main injection or between the first and the second or between the second and the third stratified injection Main injection is.
    [5]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass durch die Voreinspritzung (MH) im Falldes Betriebs bei hohen Restgasraten ein leicht mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondereein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit λ ≈ 1,3 im Brennraum(18) erzeugt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that by the pilot injection (M H ) in the case of operation at high residual gas rates, a slightly lean fuel-air mixture, in particular a fuel-air mixture with λ ≈ 1.3 im Combustion chamber ( 18 ) is produced.
    [6]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung(MS) gemittelt über den gesamten Brennraum (18)etwa stöchiometrisch(λ ≈ 1) ist.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel-air mixture after the second layer injection (M S ) averaged over the entire combustion chamber ( 18 ) is approximately stoichiometric (λ≈1).
    [7]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der zweiten Schichteinspritzung(MS) gemittelt über den gesamten Brennraum (18)mager ist.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel-air mixture after the second layer injection (M S ) averaged over the entire combustion chamber ( 18 ) is lean.
    [8]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Zündzeitpunkt (ZT)zwischen 0°KWund etwa 35°KWvor einem oberen Zünd-Totpunkt(ZOT) liegt.Method according to one of claims 1 to 7, characterizedthat the ignition timing (ZT)between 0 ° KWand about 35 ° KWbefore an upper ignition dead center(ZOT) is located.
    [9]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass das Ende der Haupteinspritzung (MS)bzw. der ersten Schichteinspritzung der Haupteinspritzung (MS) etwa 2°Kwbis 10°KWvor dem Zündzeitpunkt(ZT) liegt.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the end of the main injection (M S ) or the first stratified injection of the main injection (M S ) is about 2 ° Kw to 10 ° CA before the ignition (ZT).
    [10]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass auch die Voreinspritzung (MH) als Mehrfacheinspritzungmit mehreren Homogeneinspritzungen durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pilot injection (M H ) is carried out as a multiple injection with multiple homogeneous injections.
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