DE102006034806A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Andre-Francisco Casal Kulzer
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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum (2), mindestens ein Einlassventil (EV) und mindestens ein Auslassventil (AV), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein zündfähiges Gasgemisch, das Restgas enthält, in dem Brennraum (2) in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet wird, wobei das Gasgemisch während des Verdichtungstakts (V) selbst zündet. Bei einem Lastwechsel von einer Ausgangslast auf eine Ziellast wird die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert, der von einem der Ziellast zugeordneten Wert abweicht, verändert.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
  • Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine im HCCI-Modus (Homogenous Charge Compression Ignition), der manchmal auch als CAI (Controlled Auto Ignition), ATAC (Active Thermo Atmosphere Combustion) oder TS (Toyota Soken) bezeichnet wird, erfolgt die Entzündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches nicht durch Fremdzündung, sondern durch kontrollierte Selbstzündung. Der HCCI-Verbrennungsprozess kann beispielsweise durch einen hohen Anteil an heißen Restgasen und/oder durch eine hohe Verdichtung und/oder eine hohe Eintrittslufttemperatur hervorgerufen werden. Voraussetzung für die Selbstzündung ist ein ausreichend hohes Energieniveau im Zylinder. Im HCCI-Modus betreibbare Brennkraftmaschinen, bei denen es sich sowohl um Otto- als auch Dieselmotoren handeln kann, sind bekannt, siehe z. B. US 6,260,520 , US 6,390,054 , DE 199 27 479 und WO 98/10179 .
  • Die HCCI-Verbrennung hat gegenüber einer herkömmlichen fremdgezündeten Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs und geringerer Schadstoffemissionen. Allerdings ist die Regelung des Verbrennungsprozesses und insbesondere die Steuerung der Selbstzündung des Gemisches nicht einfach. So bedarf es einer Regelung von den Verbrennungsprozess beeinflussenden Stellgrößen für z. B. die Kraftstoffeinspritzung (Einspritzmenge bzw. Einspritzzeitpunkt und -dauer), interne oder externe Abgasrückrückführung, Einlass- und Auslassventile (variable Ventilsteuerung), Abgasgegendruck (Abgasklappe), ggf. eine Zündunterstützung, Lufteintrittstemperatur, Kraftstoffqualität und Verdichtungsverhältnis (bei Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis).
  • Bei einem Lastwechsel kann es bei bekannten Verfahren zum Selbstzündungsbetrieb eines Ottomotors zu Verbrennungsaussetzern oder Früh- bzw. Spätzündungen kommen. Im Stand der Technik sind keine Maßnahmen bekannt dies zu verhindern oder zu verringern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm anzugeben, die Verbrennungsaussetzer bzw. zu frühe oder zu späte Selbstzündung bei einem Lastwechsel der Brennkraftmaschine vermeidet oder zumindest deren Häufigkeit verringert.
  • Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein zündfähiges Gasgemisch, das Restgas enthält, in dem Brennraum in einem Verdichtungstakt verdichtet wird, wobei das Gasgemisch während (vorzugsweise gegen Ende) des Verdichtungstaktes selbstzündet, wobei bei einem Lastwechsel von einer Ausgangslast auf eine Ziellast die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert, der von einem der Ziellast zugeordneten Wert abweicht, verändert wird. Den Lastwerten sind jeweils Sollwerte für die Restgasmenge und den Einspritzzeitpunkt zugeordnet. Diese werden jedoch nicht direkt als Sollwert angesteuert, es wird zunächst ein abweichender Zwischenwert als Sollwert ausgegeben.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt schrittweise über mehrere Arbeitsspiele von dem Zwischenwert auf den Zielwert verändert wird. Dadurch werden große Sprünge mit entsprechend großen Veränderungen der Verbrennungsparameter vermieden.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei einem Lastwechsel von niedriger zu hoher Last die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert relativ zum Zielwert erhöht wird und anschließend schrittweise auf einen Zielwert reduziert wird.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei einem Lastwechsel von hoher zu niedriger Last die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert relativ zum Zielwert erniedrigt wird und anschließend schrittweise auf einen Zielwert erhöht wird.
  • Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, mit Mitteln zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein zündfähiges Gasgemisch, das Restgas enthält, in dem Brennraum in einem Verdichtungstakt verdichtet wird, wobei das Gasgemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes selbstzündet, wobei bei einem Lastwechsel von einer Ausgangslast auf eine Ziellast die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert, der von einem der Ziellast zugeordneten Wert abweicht, verändert wird.
  • Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 eine Skizze eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
  • 2 ein Diagramm des Brennraumdruckes über dem Kurbelwellenwinkel;
  • 3 Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile;
  • 4 Diagramme der Mitteldruckes und des Einspritzbeginns über der Zeit für einen Zylinder bei einem Verfahren nach Stand der Technik;
  • 5 Diagramme der Mitteldruckes und des Einspritzbeginns über der Zeit für einen Zylinder bei einem erfindungsgemäßen verfahren.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Anhand der 1 bis 3 wird zunächst das technologische Umfeld der Erfindung beschrieben. In 1 ist ein Zylinder 1 einer ansonsten nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine dargestellt, die in der Regel aus mehreren Zylindern besteht. Der Zylinder 1 umfasst einen Brennraum 2, in dem ein Kolben 3 mit einem Pleuel 4 verschiebbar angeordnet ist. Das Pleuel 4 ist mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden. In den Brennraum 2 mündet ein Einlaß 5 mit einem Einlaßventil EV. Des Weiteren mündet in den Brennraum 2 ein Auslaß 7 mit einem Auslaßventil AV. Sowohl das Einlaßventil EV als auch das Auslaßventil AV werden elektrohydraulisch angesteuert, die Brennkraftmaschine ist also mit einer so genannten elektrohydraulischen Ventilsteuerung (EHVS) ausgestattet. Eine elektrohydraulische Ventilsteuerung ermöglicht eine Ansteuerung der Ventile unabhängig von der Kurbelwellenstellung. Über den Einlaß 5 wird Luft aus der Umgebung in den Brennraum 2 angesaugt. Die Verbrennungsabgase werden über den Auslaß 7 wieder an die Umgebung abgegeben. Durch eine geeignete Öffnungszeit des Auslaßventils AV, z.B. ein Öffnen des Auslaßventils AV während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine, kann eine so genannte innere Abgasrückführung realisiert werden, indem nämlich im Ansaugtakt des Zylinders 1 Abgas aus dem Auslaß 7 in den Brennraum 2 zurückströmt bzw. zurückgesaugt wird.
  • In den Brennraum 2 münden in bekannter Art und Weise eine Zündkerze 11 sowie ein Injektor 12. Der Injektor 12 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Injektor oder ein elektrohydraulischer Injektor. Der Injektor 12 ist über eine Hochdruckleitung 10 mit einem nicht dargestellten Hochdruck-Rail der Brennkraftmaschine verbunden. Die Hochdruckleitung 10 führt Kraftstoff zu dem Injektor 12. Der Injektor 12 wird elektrisch durch ein Steuergerät 9 angesteuert, entsprechend werden durch das Steuergerät 9 auch die Zündkerze 11 sowie das Einlaßventil EV und das Auslaßventil AV gesteuert. Statt eines Einlaßventils EV und eines Auslaßventils AV können hier auch mehrere Einlaßventile EV und mehrere Auslaßventile AV vorgesehen sein.
  • Bei elektrohydraulischen, nockenwellenlosen Ventilsteuerungen (EHVS), wie sie z.B. aus der DE 101 27 205 und der DE 101 34 644 bekannt sind, können Hub- und Steuerzeiten der Gas wechselventile einer Brennkraftmaschine prinzipiell frei programmiert werden. Die Gaswechselventile sind hier das oder die Einlaßventil(e) EV und das oder die Auslaßventil(e) AV.
  • 2 zeigt ein Diagramm des Brennraumdruckes in dem Brennraum 2 der Brennkraftmaschine über dem Kurbelwellenwinkel in grad Kurbelwelle (°KW). Über der Ordinate dargestellt ist ein Kurbelwellenwinkel von –180° bis 540°, über der Abszisse ist der Brennraumdruck in bar aufgetragen. Mit 0° ist hier willkürlich der Obere Totpunkt im Ladungswechsel L-OT gewählt. Der Ladungswechsel dient in bekannter Weise dem Ausstoßen verbrannter Abgase, dies findet hier zwischen –180° und 0° Kurbelwelle statt, und dem Ansaugen frischer Umgebungsluft bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, dies findet hier im Kurbelwellenwinkelbereich von 0-180° statt. Eine Kurbelwellenumdrehung weiter, bei 360° Kurbelwelle, ist der Obere Totpunkt der Zündung (Zündungs-OT) erreicht. Zwischen 180° Kurbelwelle und 360° Kurbelwellenwinkel findet der Verdichtungstakt statt, zwischen 360° Kurbelwellenwinkel und 540° Kurbelwellenwinkel findet die Expansion der verbrennenden Gase statt. Die einzelnen Takte sind in 2 bezeichnet mit Ausstoßen AU von –180° bis 0°, Ansaugen AN von 0° bis 180°, Verdichtungstakt (Kompression) V von 180° bis 360° und Expansion (Verbrennung) E von 360° bis 540°. Im Verdichtungstakt V wird das Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch verdichtet und dabei erhitzt. Das Gemisch wird in der Regel kurz vor Erreichen des Zündungs-OTs gezündet. Dies kann wie beim Ottomotor üblich durch Fremdzündung oder gemäß der erfindungsgemäßen Betriebsart durch eine kontrollierte Selbstzündung erfolgen. Die Zündung des Gemisches führt in bekannter Art und Weise zu einer Druckerhöhung, die im sich daran anschließenden Arbeitstakt der Expansion E in mechanische Energie umgewandelt wird.
  • In 3 ist das Öffnen und Schließen jeweils des Einlaßventiles EV sowie des Auslaßventiles AV dargestellt. Das Auslaßventil AV wird wie bei einem 4-Takt-Motor üblich im Ausstoßtakt zwischen –180° bis 0° Kurbelwelle geöffnet, entsprechend wird das Einlaßventil EV im Bereich des Ansaugtaktes zwischen 0° Kurbelwelle und 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. In 3 sind vier Fälle dargestellt, die jeweils unterschiedliche Ventilöffnungsstrategien repräsentieren. In 3.1 ist die übliche Ventilöffnungsstrategie dargestellt, bei der das Auslaßventil AV kurz vor Erreichen des Unteren Totpunktes UT geöffnet wird und in etwa bis –90° Kurbelwelle geöffnet bleibt. Dadurch verbleibt ein Teil der verbrannten Abgase im Brennraum 2. Das Einlaßventil EV wird erst etwa bei 90° Kurbelwellenwinkel geöffnet sobald Druckgleichgewicht zwischen Brennraum 2 und Ansaugtrakt besteht und verbleibt geöffnet in etwa bis zum Erreichen des Unteren Totpunktes. Auf diese Art und Weise wird eine so genannte negatEVe Ventilüberlappung bewirkt, die dafür sorgt, dass ein Teil der verbrannten Abgase im Brennraum 2 verbleibt und zur Erwärmung des im Ansaugtakt in den Brennraum 2 eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches dient. Auf diese Art und Weise wird im Brennraum 2 ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch erzeugt.
  • 3.2 zeigt eine AlternatEVe Ansteuerstrategie für die Einlaß- und Auslaßventile. In diesem Fall bleibt das Auslaßventil AV zwischen Unterem Totpunkt UT und Oberem Totpunkt OT geöffnet, das Einlaßventil bleibt entsprechend zwischen Oberem Totpunkt und Unterem Totpunkt geöffnet. Es findet eine sehr kurze Ventilüberschneidung im Bereich des Oberen Totpunktes statt. Während der Öffnung des Einlaßventiles EV wird zusätzlich im Bereich von etwa 90° Kurbelwellenwinkel bis kurz vor Erreichen des Unteren Totpunktes UT zusätzlich das Auslaßventil AV geöffnet. Dadurch sind in diesem Bereich sowohl Einlaßventil als auch Auslaßventil geöffnet, so dass ein Teil der ausgestoßenen Abgase über das Auslaßventil wieder in den Brennraum 2 zurückbefördert wird.
  • In 3.3 ist eine weitere Ventilsteuerstrategie dargestellt, bei dieser bleibt das Auslaßventil AV zwischen dem Unteren Totpunkt UT über dem Oberen Totpunkt OT bis nahe an den Unteren Totpunkt bei etwa 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Zusätzlich wird das Einlaßventil EV in etwa zwischen 90° Kurbelwellenwinkel und dem Unteren Totpunkt UT bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Dadurch wird zwischen Unterem Totpunkt bei –180° Kurbelwelle und Erreichen des Oberen Totpunktes bei 0° Kurbelwellenwinkel verbranntes Abgas aus dem Brennraum 2 ausgestoßen und sodann zwischen 0° Kurbelwellenwinkel und dem Schließen des Auslaßventils AV hier bei etwa 120° Kurbelwellenwinkel wieder aus der Abgasanlage in dem Brennraum 2 angesaugt. Das Einlaßventil EV ist hier zwischen etwa 90° Kurbelwellenwinkel und dem Erreichen des Unteren Totpunktes bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet, so dass in dieser Zeit Frischluft angesaugt werden kann. Auch hier tritt eine Ventilüberlappung auf, in diesem Fall etwa zwischen 90° Kurbelwellenwinkel und 120° Kurbelwellenwinkel.
  • 3.4 zeigt eine weitere Variante einer Ventilsteuerstrategie, bei dieser ist das Auslaßventil AV zwischen dem Unteren Totpunkt bei –180° Kurbelwelle und dem Oberen Totpunkt bei 180° Kurbelwelle geöffnet, das Einlaßventil EV ist etwa zwischen –60° Kurbelwellenwinkel über dem Oberen Totpunkt bei 0° Kurbelwellenwinkel bis zum Unteren Totpunkt bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Es tritt hier also eine Ventilüberschneidung in etwa zwischen –60° Kur belwellenwinkel und dem Erreichen des Oberen Totpunktes bei 0° Kurbelwellenwinkel auf. Dadurch wird ein Teil des Abgases in den Ansaugtakt gedrückt und während der Öffnungszeit des Einlaßventiles zwischen Oberem Totpunkt bei 0° Kurbelwelle und Unterem Totpunkt bei 180° Kurbelwellenwinkel wieder in den Brennraum 2 zurück transportiert.
  • Die Ventilsteuerung im Ausführungsbeispiel der 3.1 bewirkt eine heiße Restgasmenge im Brennraum 2 und ermöglicht eine geschichtete Einspritzung. Diese Ventilsteuerstrategie ist also für den Schichtbetrieb ideal. Demgegenüber ist die anhand der 3.4 dargestellte Ventilsteuerung mit einer warmen Restgasmenge im Brennraum 2 verbunden und ermöglicht eine homogene Ladung des Brennraumes 2 und damit einen homogenen Betrieb der Brennkraftmaschine. Die Ventilsteuerung entsprechend der Ausführungsbeispiele nach 3.2 und 3.3 sind jeweils Übergangslösungen zwischen den in 3.1 und 3.4 dargestellt Extremen.
  • In unterschiedlichen Lastpunkten werden unterschiedliche Ventil- und Einspritzstrategien benötigt. Bei sehr niedrigen Lasten ist eine hohe Restgasrate notwendig um die benötigte Selbstzündtemperatur bereitzustellen. An diesem Betriebspunkt wird die Restgasspeicherung gemäß 3.1 im Brennraum 2 verwendet, wobei das Auslaßventil deutlich vor dem Gaswechsel-OT geschlossen wird. Die Verdichtung der im Zylinder befindlichen Restgasmasse führt zu einer weiteren Temperaturerhöhung. Die Einspritzung erfolgt, sobald der Kolben sich im Bereich des Gaswechsel-OTs befindet. Aufgrund der hohen Temperaturen kommt es zu Zerfallsreaktionen des Kraftstoffes in reaktEVere Zwischenprodukte, die den Selbstzündzeitpunkt maßgeblich beeinflussen und hier den Selbstzündzeitpunkt reduzieren. Das Einlaßventil wird geöffnet, sobald Druckgleichgewicht zwischen Saugrohr und Brennraum 2 herrscht, um Strömungsverluste zu vermeiden.
  • Hin zu höheren Lasten besteht die Gefahr, dass sich die Zylinderladung aufgrund der hohen Temperaturen zu früh entzündet und die darauf folgende sehr schnelle Verbrennung zu Klopfen führt, da hier kleinere Mengen an Restgas vorhanden sind. Daher kommt mit steigender Last die positEVe Ventilüberschneidung zum Einsatz, wie diese in den Ausführungsbeispielen zur Ventilsteuerung gemäß der 3.2, 3.3 sowie 3.4 dargestellt sind. Dabei wird die benötigte Restgasmenge entweder aus dem Abgas- oder dem Einlaßkanal zurückgesaugt. Die Einspritzung erfolgt dann im Ansaugtakt, wobei der Zeitpunkt der Einspritzung Einfluss auf die Homogenität der Zylinderladung nimmt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, eine weitere Einspritzung im Kompressionstakt abzusetzen. Hier bewirkt die Verdampfungsenthalpie des Kraftstof fes eine Kühlung der Zylinderladung, was einer zu frühen Selbstzündung und klopfenden Verbrennung entgegenwirkt. Die Einspritzung während des Kompressionstaktes kann auch mit einer Einspritzung in die verdichtete Restgasmenge kombiniert werden, sofern die Ventilsteuerstrategie der Restgasspeicherung gemäß 3.1 verwendet wird. Dabei ist auch die Kombination von mehreren Einspritzungen beginnend im Bereich des Gaswechsel-OT über den Ansaugtakt bis in den Kompressionstakt wie dies in 3 dargestellt ist möglich.
  • In unterschiedlichen Lastpunkten werden bei der Betriebsart der Selbstzündung eines Ottomotors unterschiedliche Restgas- und Einspritzstrategien benötigt. Zur Rückführung von internem Restgas wird z. B. die Ventilstrategie zur Restgasspeicherung (negatEVe Ventilüberschneidung) wie zuvor dargestellt verwendet, wobei das Auslaßventil deutlich vor dem Gaswechsel-OT geschlossen wird. Die im Zylinder verbleibende Restgasmasse wird verdichtet, das Einlaßventil öffnet, sobald der Druck im Zylinder wieder den Saugrohrdruck erreicht hat um Strömungsverluste zu vermeiden. Bei niedrigen Lasten wird eine höhere Restgasmenge benötigt als bei höheren Lasten. Die bei niedrigen Lasten benötigte Erhöhung erfolgt durch früheres Schließen des Auslaßventils. Mit Hilfe der Direkteinspritzung kann die zeitliche Lage bzw. die Lage bezüglich des Kurbelwellenwinkels der Einspritzung verändert werden und damit die Lage der Verbrennung verändert bzw. korrigiert werden. Eine frühe Einspritzung in die verdichtete Restgasmasse verschiebt den Verbrennungsschwerpunkt nach früh. Verbrennungsaussetzer bei Wechsel von niedrigen zu hohen Lasten entstehen durch eine schlagartige Reduktion der Restgasmasse, wobei die Restgastemperatur im ersten Arbeitstakt (Zyklus) nach dem Lastsprung noch der Temperatur des niedrigen Lastpunktes entspricht. Mit der Reduktion der Restgasmassen reicht die Temperatur in diesem Fall nicht zum Erreichen der Selbstzündtemperatur aus. Beim Wechsel von hohen zu niedrigen Lasten führt die höhere Temperatur aus dem vorangegangenen Arbeitstakt mit schlagartigem Anstieg der Restgasmasse zu einer früheren Verbrennung im ersten Zyklus nach dem Lastwechsel, da die Selbstzündtemperatur früher erreicht wird.
  • Ein Selbstzündaussetzer nach einem Lastwechsel von niedrigen zu hohen Lasten bzw. eine zu frühe Selbstzündung bei einem Lastwechsel von hohen zu niedrigen Lasten wird durch eine Veränderung im Luftpfad oder eine Veränderung im Kraftstoffpfad vermieden. Bei einer Veränderung im Luftpfad wird eine stufenweise Reduktion bzw. Anhebung der Restgasmasse durch eine stufenweise Änderung des Schließzeitpunktes des Auslaßventils erreicht. Anstatt die Restgasmasse schlagartig zu ändern, wird mit einem vollvariablen Ventiltrieb, der in der Lage ist, zyklussynchron die Steuerzeiten anzupassen, eine stufenweise Änderung der Restgasmasse vorgenommen. Die stufenweise Änderung wird über mehrere Arbeitstakte vorgenommen. Statt einer sprungartigen Veränderung von einem Ausgangswert auf einen Zielwert wird also schrittweise über mehrere Zwischenstufen von dem Ausgangswert auf den Zielwert übergegangen.
  • Im Kraftstoffpfad kann mit Hilfe einer früheren Einspritzung in die verdichtete Restgasmasse einem Aussetzer aufgrund zu niedriger Restgastemperatur entgegengewirkt werden. Eine frühere Einspritzung bei ausreichend hoher Temperatur während der Restgasverdichtung führt zu einer Vorreaktion des Kraftstoff-Luft-Restgas-Gemisches, wobei der Kraftstoff durch die Vorreaktion bereits teilweise umgesetzt wird und dabei Energie freigesetzt wird. Diese Umsetzung beschleunigt die Selbstzündung und wirkt dem Aussetzer entgegen. Im Gegenzug kann bei einem Lastwechsel von einer hohen zu einer niedrigen Last die Einspritzung im ersten Zyklus nach dem Lastsprung später erfolgen, um der früheren Verbrennung entgegenzuwirken.
  • 4 zeigt ein Diagramm des Mitteldruckes (oberes Diagramm) pmi in bar über den Arbeitstakten n sowie ein Diagramm des Einspritzbeginns SOI in °Kurbelwelle (°KW) vor dem Zündungs-OT über den Arbeitstakten n, jeweils für ein Verfahren nach Stand der Technik.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Verschiebung des Einspritzbeginns in einer Darstellung entsprechend der 4. In 4 ist im oberen Diagrammteil der indizierte Mitteldruck pmi in bar über einer Zeitachse dargestellt. Zwischen einem Arbeitstakt n0 bis zu einem Arbeitstakt n1 wird der Zylinder bzw. die Brennkraftmaschine mit einer Last betrieben, die einen Mitteldruck pmi von etwa 2 bar ergibt. Zum Arbeitstakt n1 erfolgt ein Lastsprung auf eine Last, die einen Mitteldruck von etwa 3 bar ergibt. Diese Last wird bis zum Arbeitstakt n2 beibehalten, zu dem ein Sprung zurück auf die zwischen dem Arbeitstakt n0 und n1 anliegende Last stattfindet. In dem Diagramm sind mehrere Wiederholungen solcher Sprünge zu Zeiten n3, n4, n5 und n6 dargestellt. Im unteren Diagrammteil der 4 ist der Einspritzbeginn in Grad Kurbelwelle (°KW) vor dem Zündungs-OT dargestellt. Bei einem Mitteldruck von etwa 2 bar liegt dieser bei etwa –334°, bei einem Mitteldruck von 3 bar liegt dieser bei etwa –330°. Durch den Lastwechsel von einem Mitteldruck von 2 bar auf einen Mitteldruck von 3 bar bzw. umgekehrt findet eine sprungartige Verschiebung des Einspritzbeginns statt. Zu den Arbeitstakten des Lastwechsels treten dabei sehr hohe Über- bzw. Unterschwinger des indizierten Mitteldrucks pmi auf, zu den Arbeitstakten n3 und n5 kommt es beispielsweise zu Verbrennungsaussetzern, die sich in einem sehr geringen Mitteldruck äußeren, die Verbren nungsaussetzer sind hier mit A gekennzeichnet. Zu diesen Arbeitstakten kommt es zusätzlich nach oben hin zu einem starken Überschwingen, was sich in Druckspitzen bis beispielsweise etwa 4 bar zu den Arbeitstakten n3 und n5 äußert.
  • In 5 ist der Druckverlauf sowie der Beginn der Einspritzung entsprechend der Darstellung der 4 dargestellt für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch hier findet ein Lastwechsel von einer Last, die einen Mitteldruck von etwa 2 bar ergibt, auf eine Last, die einen Mitteldruck von etwa 3 bar ergibt, zu verschiedenen Arbeitstakten statt. Dabei wird zum Arbeitstakt n1 von der niedrigen Last als Ausgangslast zur hohen Last als Ziellast umgeschaltet, zum Arbeitstakt n2 entsprechend umgekehrt von der hohen Last als Ausgangslast zur niedrigen Last als Ziellast, zum Arbeitstakt n3 wiederum von der niedrigen auf die hohe Last umgeschaltet, zum Arbeitstakt n4 von der hohen auf die niedrige, zum Arbeitstakt n5 von der niedrigen auf die hohe und zum Arbeitstakt n6 von der hohen auf die niedrige Last. Der hohen und niedrigen Last sind jeweils Werte für den Einspritzbeginn SOI zugeordnet. Der der Ausgangslast zugeordnete Wert für den Einspritzbeginn wird hier als Ausgangswert bezeichnet, entsprechend wird der der Ziellast zugeordnete Wert als Zielwert bezeichnet. Entsprechend können den Lastwerten Ausgangs- und Zielwerte der Abgasrückführung zugeordnet werden.
  • Die Darstellung in 5 beginnt entsprechend der 4 zum Arbeitstakt n0. Wie aus dem unteren Diagramm der 5 zu erkennen ist, in diesem ist der Beginn der Einspritzung in Grad Kurbelwelle (°KW) vor dem Zünd-OT aufgetragen, wird bei einem Umschalten von niedriger auf hohe Last und damit von einem niedrigen Mitteldruck pmi auf einen hohen Mitteldruck pmi kurzzeitig der Beginn der Einspritzung auf einen Zwischenwert BZ nach früh verstellt, beispielsweise zum Zeitpunkt n1 von etwa –334°KW auf –345°KW. Entsprechend wird bei einer Änderung von einem hohen Mitteldruck auf einen niedrigen Mitteldruck, wie dies z. B. zum Arbeitstakt n2 stattfindet, und damit einer Änderung von einer hohen auf eine niedrige Last der Einspritzzeitpunkt für einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert BZ nach spät verlegt, beispielsweise von etwa –330°KW auf –318°KW, wie dies im Arbeitstakt n2 dargestellt ist. Zum Arbeitstakt n1 wird der Beginn der Einspritzung SOI von einem Ausgangswert BA von etwa –334°KW auf einen Zwischen BZ von etwa –345°KW verstellt. In den darauf folgenden Arbeitstakten wird schrittweise über Zwischen BZ2, BZ3 und BZ4 ein Zielwert BE von etwa –330°KW erreicht. Es wird also kurzzeitig der Beginn der Einspritzung SOI um nahezu 10°KW nach früh verstellt, um dann schrittweise auf den der Ziellast zugeordneten Zielwert BE gebracht zu werden. Zum Arbeitstakt n2 findet eine umgekehrte Lastveränderung statt, nämlich von einer hohen Last auf eine niedrige Last. Dazu wird kurzzeitig für einen Arbeitstakt die Einspritzung nach spät verstellt, hier auf einen Wert von etwa –320°KW, um dann schrittweise über die nächsten Arbeitstakte auf den Zielwert von etwa –333°KW gebracht zu werden.
  • Anhand der 4 und 5 wurde ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Verstellung des Einspritzbeginns dargestellt. Entsprechend lässt sich durch eine Veränderung des Ventiltriebes eine Veränderung der Restgasmenge bewirken. Diese folgt dem gleichen Muster, nämlich dass zunächst nicht von einem Ausgangswert direkt auf den Zielwert gesteuert wird, sondern auf einen davon abweichenden Zwischenwert, der danach über die nächsten Arbeitstakte schrittweise auf den Zielwert verändert wird.
  • Der Verlauf des Mitteldrucks im oberen Diagramm der 5 zeigt, dass durch die Vorverlegung bzw. Rückverlegung des Beginns der Einspritzung nur ein geringes Unter- bzw. Überschwingen des Mitteldruckes auftritt. Insbesondere treten keine Zündaussetzer wie im Verfahren nach Stand der Technik mehr auf.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum (2), mindestens ein Einlassventil (EV) und mindestens ein Auslassventil (AV), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein zundfähiges Gasgemisch, das Restgas enthält, in dem Brennraum (2) in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet wird, wobei das Gasgemisch während des Verdichtungstaktes (V) selbstzündet, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastwechsel von einer Ausgangslast auf eine Ziellast die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert, der von einem der Ziellast zugeordneten Wert abweicht, verändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgasmenge schrittweise über mehrere Arbeitsspiele von dem Zwischenwert auf den Zielwert verändert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzzeitpunkt schrittweise über mehrere Arbeitsspiele von dem Zwischenwert auf den Zielwert verändert wird
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastwechsel von niedriger zu hoher Last die Restgasmenge für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert erhöht wird und anschließend schrittweise auf einen Zielwert erniedrigt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastwechsel von hoher zu niedriger Last die Restgasmenge für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert erniedrigt wird und anschließend schrittweise auf einen Zielwert erhöht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastwechsel von niedriger zu hoher Last der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert nach früh verstellt wird und anschließend schrittweise auf einen Zielwert nach spät verstellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastwechsel von hoher zu niedriger Last der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert nach spät verstellt wird und anschließend schrittweise auf einen Zielwert nach früh verstellt wird.
  8. Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, mit Mitteln zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum (2), mindestens ein Einlassventil (EV) und mindestens ein Auslassventil (AV), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein zündfähiges Gasgemisch, das Restgas enthält, in dem Brennraum (2) in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet wird, wobei das Gasgemisch während des Verdichtungstaktes (V) selbstzündet, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastwechsel von einer Ausgangslast auf eine Ziellast die Restgasmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für mindestens einen Arbeitstakt auf einen Zwischenwert, der von einem der Ziellast zugeordneten Wert abweicht, verändert wird.
  9. Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem der Ansprüche 1-7, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
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