DE10147529A1 - Verfahren zum Betreiben einer mit selbstzündbarem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer mit selbstzündbarem Kraftstoff betriebenen BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit selbstzündbarem Kraftstoff, insbesondere Benzin, betriebenen Brennkraftmaschine, wobei in Selbstzündungsbereichen (CI) ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum (3) erzeugt wird, ein für eine Selbstzündung des Kraftstoffes geeignetes hohes Verdichtungsverhältnis bereitgestellt wird und die Verbrennung in Selbstzündungsbereichen (CI) überwiegend durch Selbstzündung erfolgt. Um auf möglichst einfache Weise den Verbrennungsbeginn im Selbstzündungsbereich (CI) zu steuern, ist vorgesehen, dass im Selbstzündungsbereich (CI) Druck und/oder Temperatur des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches, vorzugsweise in Abhängigkeit der Ladungszusammensetzung und/oder Ladungstemperatur, so eingestellt werden, dass die Selbstzündung erst nach dem eigentlichen gewünschten Brennbeginn im Bereich des oberen Totpunktes erreicht werden würde, und die Verbrennung des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches durch einen externen Energieimpuls eingeleitet wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit selbstzündbarem
Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei in Selbstzündungsbereichen
ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum er
zeugt wird, ein für eine Selbstzündung des Kraftstoffes geeignetes hohes Ver
dichtungsverhältnis bereitgestellt wird und die Verbrennung in Selbstzündungs
bereichen überwiegend durch Selbstzündung erfolgt, sowie eine Brennkraftma
schine zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der Veröffentlichung "Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) of
Diesel Fuel", Allen W. Gray et al., SAE 971676, ist es bekannt, dass bei der
Verbrennung eines durch Selbstzündung entflammten mageren Kraftstoff-Luft
gemisches wegen der homogenen Konzentrations- und Temperaturverteilung
äußerst niedrige Emissionswerte für NOx und Ruß erzielt werden. Dieses Verfah
ren wird im englischen Sprachraum als HCCI-Verfahren (Homogeneous Charge
Compression Ignition) bezeichnet. Weiters ist bekannt, dass Dieselkraftstoff bei
diesem Verbrennungsverfahren Schwierigkeiten bereitet, da der Zeitpunkt der
Entflammung wegen seiner hohen Zündwilligkeit nur bei niedrigem Verdich
tungsverhältnis und niedrigem effektivem Mitteldruck in erwünschter Weise kurz
vor dem oberen Totpunkt fixiert werden kann. Das erforderliche niedrige Ver
dichtungsverhältnis von etwa 10 führt zu erheblichen Nachteilen hinsichtlich des
spezifischen Kraftstoffverbrauches und der erreichbaren Leistungsausbeute ge
genüber dem konventionellen Dieselverfahren, die die breite Nutzung dieses an
sich sehr emissionsgünstigen Verbrennungsverfahren bisher verhindert haben.
Als weitere dieselkraftstoffspezifische Schwierigkeit ist die für die Verdampfung
und damit für die Homogenisierung der Zylinderladung hinderliche Lage des Sie
debereichs zwischen etwa 170 bis 360°C anzusehen, die zu hohen Emissionen
von NOx, Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen führen kann und die Ge
fahr der Anreicherung von Dieselkraftstoff im Schmieröl mit sich bringt.
Benzin hat für das HCCI-Verfahren wegen seiner sehr niedrigen Selbstzündungs
willigkeit und des niedriger liegenden Siedebereiches zwischen etwa 30 und
190°C große Vorteile. Das Verdichtungsverhältnis kann hier, ähnlich wie beim
Dieselmotor, auf Werte von etwa 15 bis 17 angehoben werden. Allerdings ist
auch hier der erreichbare effektive Mitteldruck in nachteiliger Weise auf den
Teillastbereich beschränkt, wie aus der Veröffentlichung "An Experimental Study
on Premixed-Charge Compression Ignition Gasoline Engine", Taro Aoyama et al.,
SAE 960081, hervorgeht.
Weiters ist aus der DE 36 32 579 C2 eine fremdgezündete, luftverdichtende, mit
dieselmotorähnlich hohem Verdichtungsverhältnis arbeitende Brennkraftma
schine bekannt, bei der zur Sicherstellung der Entflammung des Luft-Kraftstoff
gemisches eine Ladungsschichtung erzeugt wird. Dieses Schichtlade-Brennver
fahren kann auch als SCSI-Verfahren (Stratified Charge Spark Ignition) bezeich
net werden. Mit dem Schichtladeprinzip wird erreicht, dass die Gemischzusam
mensetzung im Bereich der Zündquelle während des Funkenüberschlages lange
genug innerhalb der Zündgrenzen liegt, um eine für das Weiterbrennen der Zy
linderladung ausreichend große Flamme zu erzeugen. Ein derartiges Schichtlade-
Brennverfahren mit Fremdzündung ist allerdings im Teillastbereich nicht so emis
sionsgünstig wie das HCCI-Verfahren, kann aber mit sehr viel höheren Mitteldrü
cken betrieben werden und ist bezüglich der Rußemission besser als der Diesel
motor.
Aus der DE 28 51 504 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftma
schine mit variablem Verdichtungsverhältnis bekannt, wobei die Brennkraftma
schine mit einer Kraftstoffsorte fremdgezündet und selbstgezündet betrieben
wird. Bei dieser Brennkraftmaschine wird im Teillastbereich das Verdichtungsver
hältnis zur Durchführung einer Selbstzündung vergrößert und im Vollastbereich
für einen Fremdzündungsbetrieb verkleinert. Über eine in den Hauptbrennraum
oder in eine Vorkammer mündende Einspritzdüse wird Kraftstoff für den Diesel
betrieb zugeführt, wodurch ein inhomogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brenn
raum entsteht. Es liegt somit kein HCCI-Betrieb vor. Die Zuführung des Kraft
stoffes für den Fremdzündungsbetrieb erfolgt in einer Ausführung über einen
Vergaser und in einer anderen Ausführung über eine in einen Nebenbrennraum
mündende weitere Einspritzdüse. Die Verbrennung wird im Fremdzündungsbe
trieb über eine in den Nebenbrennraum mündende Zündkerze eingeleitet. Bei
Fremdzündung mit Kraftstoffeinspritzung und Luftansaugung im Vollastbetrieb
liegt eine Ladungskonzentration im Nebenbrennraum relativ zum Hauptbrenn
raum vor. Das bekannte Verfahren erlaubt ein stabiles Betriebsverhalten und ei
nen guten Wirkungsgrad. Die vom HCCI-Verfahren bekannten extrem niedrigen
Emissionswerte können aber nicht erreicht werden.
Auch die US 4 126 106 A beschreibt eine Brennkraftmaschine, die sowohl nach
dem Otto-, als auch nach dem Dieselverfahren betreibbar ist. Dabei wird wäh
rend der Startphase und des Teillastbetriebes unter direkter Kraftstoffeinsprit
zung in den Brennraum eine Schichtladung erzeugt und die Verbrennung durch
Fremdzündung dieser geschichteten Ladung eingeleitet. Bei Volllast hingegen
wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum gegen die heißen Brennraumwände
gespritzt, wobei der Kraftstoff verdampft und die Zündung durch Kompression
nach dem Dieselverfahren erfolgt. Der Motor wird dabei bei einem Verdichtungs
verhältnis von weniger als 16 : 1 betrieben. Bei höherer Motorlast reicht allerdings
die Zeit zwischen Einspritzbeginn und dem Zeitpunkt der Selbstzündung für eine
gute Gemischaufbereitung nicht mehr aus, weshalb es zu einer Verschlechterung
des Verbrennungsablaufes und der Emissionen kommt.
Ferner ist aus der US 3 125 079 A eine Vielzweck-Brennkraftmaschine bekannt,
welche sowohl selbstzündend, als auch fremdzündend mit einem festen Verdich
tungsverhältnis von 15 : 1 betreibbar ist. Der Kraftstoff wird dabei über eine
Vielstrahl-Einspritzdüse direkt radial in den Brennraum eingespritzt. Dies ist zur
Erzeugung eines hohen Ladungsschichtungsgrades nicht geeignet.
Um bei einer Brennkraftmaschine für fremd- und selbstzündbarem Kraftstoff die
Abgasqualität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu verbessern, wird in der
AT 003 135 U1 vorgeschlagen, im Selbstzündungsbereich ein zumindest annä
hernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum zu erzeugen. Dieses
Verfahren weist die Vorteile des HCCI-Verfahrens auf und vermeidet durch die
Umschaltung auf Fremdzündung dessen Nachteile bei hoher Motorlast. Das Ver
fahren vereinigt somit die Vorteile des HCCI-Verfahrens mit dem des SCSI-Ver
fahrens. Allerdings lässt sich der Verbrennungsbeginn des homogenen Kraftstoff-
Luftgemisches nur schwer steuern, da zur Erreichung einer Homogenisierung die
Gemischbildung ein Saugrohr oder sehr weit vor dem Verbrennungsbeginn er
folgt. Es gibt daher keine direkte Steuerungsmöglichkeit des Verbrennungsbegin
nes durch den Spritzbeginn (wie beim Dieselmotor) oder durch den Zündfunken
(wie beim Ottomotor).
Für die Steuerung des Verbrennungsbeginnes würde ein HCCI-Motor ein komple
xes Regelsystem für die Berücksichtigung bzw. Einstellung einer großen Anzahl
von Betriebsparametern benötigen. Dies wäre allerdings mit einem sehr großen
regeltechnischen Aufwand verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer mit
selbstzündbarem homogenen Kraftstoff-Luftgemisch betriebenen Brennkraftma
schine auf möglichst einfache Weise den Verbrennungsbeginn im Selbstzün
dungsbereich zu steuern.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass im Selbstzündungsbereich Druck
und/oder Temperatur des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches, vorzugsweise in
Abhängigkeit der Ladungszusammensetzung und/oder Ladungstemperatur, so
eingestellt werden, dass die Selbstzündung erst nach dem eigentlich gewünsch
ten Brennbeginn im Bereich des oberen Totpunktes erreicht werden würden und
die Verbrennung des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches erst durch einen ex
ternen Energieimpuls eingeleitet wird. Die Ladung wird somit nur bis zu einem
gewissen Abstand an die Selbstzündungsfähigkeit herangeführt. Die Einleitung
der Verbrennung erfolgt durch den externen Energieimpuls. Durch diesen Ener
gieimpuls wird das Energieniveau der Ladung bis zur Selbstzündungsfähigkeit
angehoben, worauf die gesamte Zylinderladung nach Ablauf eines kurzen weite
ren Zündverzuges die Selbstzündungsfähigkeit erreicht und durchbrennt.
Der externe Energieimpuls kann ein elektrischer Zündfunken sein. Genauso kann
aber vorgesehen sein, dass die Verbrennung des homogenen Kraftstoff-Luftge
misches im Selbstzündungsbereich durch die Selbstzündung einer unmittelbar
vor dem Brennbeginn eingespritzten Pilot-Kraftstoffmenge eingeleitet wird.
Das Verfahren lässt sich bevorzugt einsetzen zum Betreiben einer mit sowohl
fremd-, als auch selbstzündbarem Kraftstoff, insbesondere Benzin, betriebenen
Kraftmaschine, wobei dem Motorbetriebsbereich Selbstzündungs- und Fremd
zündungsbereiche zugeordnet werden und die Verbrennung in Fremdzündungs
bereichen durch Fremdzündung des Kraftstoff-Luftgemisches eingeleitet wird,
und wobei der Teillastbereich dem Selbstzündungsbereich, der Vollastbereich
und/oder Motorbetriebsbereiche mit hoher Motorlast sowie der Kaltstart dem
Fremdzündungsbereich zugeordnet werden. Dadurch können die Vorteile des
HCCI-Verfahrens ausgenützt und durch die Umschaltung auf Fremdzündung des
sen Nachteile bei hoher Motorlast vermieden werden. Zusätzlich zu den Selbst
zündungsbereichen kann auch in zumindest einem Fremdzündungsbereich ein
homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt werden. Das homo
gene Kraftstoff-Luftgemisch kann stöchiometrisch oder mager sein. Besonders
niedrige Kraftstoffverbräuche und geringe Emissionen lassen sich allerdings er
reichen, wenn in Fremdzündungsbereichen eine Schichtladung im Brennraum
erzeugt wird.
Bei höherer Motorlast würde beim HCCI-Verfahren die Zeit zwischen Einspritzbe
ginn und dem Zeitpunkt der Selbstzündung für eine gute Gemischaufbereitung
nicht mehr ausreichen, weshalb es bei Selbstzündung zu einer Verschlechterung
des Verbrennungsablaufes und der Emissionen kommen würde. Da im Vollastbe
reich und/oder in Motorbetriebsbereichen mit hoher Motorlast eine Fremdzün
dung erfolgt, werden diese Nachteile vermieden. Es können somit sowohl im Teil
last-, als auch im Vollastbereich die Emissionen deutlich verbessert werden.
Obwohl das SCSI-Verfahren zwar nicht genauso emissionsgünstig ist wie das
HCCI-Verfahren, bietet es jedoch hinsichtlich der Emissionsbildung die zwei fol
genden Vorteile gegenüber dem DI-Verfahren (direct injection) eines konventio
nellen Dieselmotors. Zum einen ist die Rußbildungsneigung von Benzin haupt
sächlich wegen der kleineren Molekülgröße und des damit zusammenhängenden
höheren, die Gemischbildung begünstigenden, Dampfdruckes deutlich kleiner, als
bei Dieselkraftstoff. Zum anderen bietet das Verfahrensmerkmal der Fremdzün
dung gegenüber dem Dieselmotor den zusätzlichen Freiheitsgrad, die Zeitspanne
zwischen Einspritzbeginn und Entflammung durch die Wahl des Abstandes zwi
schen Einspritzbeginn und Zündzeitpunkt stark vergrößern zu können, womit die
für die Gemischaufbereitung zur Verfügung stehende Zeit deutlich verlängert
wird, wobei das Schichtladungsprinzip verhindert, dass die vor der Entflammung
gebildete Menge vorgemischter Ladung und damit die anfängliche Druckan
stiegsgeschwindigkeit zu groß werden würde.
In Motorbetriebsbereichen mit homogenem Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum
kann die Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches vorteilhafterweise durch
äußere Gemischbildung, vorzugsweise durch Einspritzung des Kraftstoffes in das
Saugrohr erfolgen. In Motorbetriebsbereichen mit Schichtladung im Brennraum
wird der Kraftstoff dagegen direkt immer in den Brennraum eingespritzt.
Die Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches im Selbstzündungsbereich
kann aber auch durch direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum
erfolgen. Dazu kann die Einspritzeinrichtung mit veränderbarer Einspritzcharak
teristik ausgeführt sein. Eine veränderbare Einspritzcharakteristik kann mit hub
variablen Einspritzdüsen oder mit Doppelnadeleinspritzdüsen erreicht werden.
Eine Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches kann auch durch unter
schiedliche Einspritzdrücke der direkteinspritzenden Einspritzeinrichtung realisiert
werden. Um die Gemischbildung auch über die Strahlqualität definiert steuern zu
können, kann eine luftunterstützte Einspritzeinrichtung von Vorteil sein.
Das Umschalten zwischen Selbst- und Fremdzündung wird in Abhängigkeit des
effektiven Mitteldruckes des Arbeitsprozesses bei einem vorbestimmten Grenz
wert des effektiven Mitteldruckes durchgeführt. Dabei liegt unterhalb dieses
Grenzwertes der Selbstzündungsbereich und oberhalb dieses Grenzwertes der
Fremdzündungsbereich. Der Grenzwert wird in einem Bereich des effektiven
Mitteldruckes, in dem der indizierte Mitteldruck zwischen etwa 4 bis 9 bar, vor
zugsweise etwa 6 bis 9 bar, besonders vorzugsweise etwa 7 bis 8,5 bar beträgt,
definiert, wobei vorzugsweise die Druckanstiegsgeschwindigkeit des Zylinderdru
ckes kleiner gleich 5 bar pro Grad Kurbelwinkel ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Zeitpunkt des Verbrennungs
beginnes des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches im Selbstzündungsbereich so
genau festgelegt werden, wie dies bisher nur bei nicht homogenen selbstzünden
den Ladungen durch den Einspritzzeitpunkt oder bei fremdzündenden Ladungen
durch den Zündzeitpunkt möglich war.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkraftmaschine gemäß Linie I-I in
Fig. 2,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Zylinder gemäß Linie II-II in Fig. 1 und
Fig. 3 ein Diagramm, in welchem der mittlere effektive Druck über der
Drehzahl aufgetragen ist.
In Fig. 2 sind zusätzlich im Zylinderkopf angeordnete Elemente strichliert darge
stellt.
In der Fig. 1 ist der im Zylinder 1 hin- und hergehende Kolben 2 in seiner oberen
Totpunktlage dargestellt. Der Kolben 2 weist eine einen Brennraum 3 bildende
Kolbenmulde 4 auf. Im Zylinderkopf 25 sind Einlasskanäle 6, 7 angeordnet, von
denen zumindest ein Einlasskanal 6 drallerzeugend ausgebildet ist, wie in Fig. 2
durch strichlierte Linien angedeutet ist. Jeder der Einlasskanäle 5, 6 führt zu ei
nem Einlassventil 7, 8. Im Zylinderkopf sind weiters Auslasskanäle 9, 10 ange
ordnet, welche über Auslassventile 11, 12 in den Brennraum 3 münden.
Im Zylinderkopf 25 ist eine Einspritzeinrichtung 13 zur direkten Kraftstoffein
spritzung in den Brennraum 3 sowie eine Zündeinrichtung bildende Hochspan
nungszündkerze 14 vorgesehen, wobei sowohl die Einspritzeinrichtung 13, als
auch die Zündkerze 14 im Bereich des Randes 15 der eingezogenen, rotations
körperförmigen Kolbenmulde 4 angeordnet sind.
Die Düse 18 der Einspritzeinrichtung 13 weist eine Ein- oder Zweistrahldüse mit
guter Strahlauflösung und einen nicht weiter dargestellten Luftanschluss zur
Luftunterstützung auf. Die Einspritzeinrichtung 13 ist mit einem ebenfalls nicht
weiter dargestellten Einspritzsystem verbunden, mit dem sich mindestens zwei
verschiedene Druckniveaus realisieren lassen.
Die Durchstoßpunkte der Achse 14a der Zündkerze 14 und der Achse 13a der
Einspritzeinrichtung 13 durch das Feuerdeck des Zylinderkopfes weisen - im
Grundriss betrachtet - einen Zentriwinkel α zueinander von etwa 90° bis 200°,
vorzugsweise 120° auf. Dabei ist die Zündkerze in Drallrichtung um diesen Win
kel stromabwärts angeordnet.
Zumindest einer der Einlasskanäle 5, 6 ist mit einem Abgasrückführsystem 16
mit einem Abgassteuerorgan 16a verbunden, mit welchem Abgas in die Einlass
strömung eingebracht werden kann.
Zur Erfassung des Entflammungszeitpunktes ist ein geeigneter Sensor 17 vorge
sehen, welcher beispielsweise in die Zündkerze 14 integriert werden kann. Der
Entflammungszeitpunkt kann über die Druckanstiegsgeschwindigkeit im Zylinder
oder optisch erfasst werden. Der Sensor 17 ist mit einer elektronischen Steuer
einheit ECU verbunden, welche in Abhängigkeit des Entflammungszeitpunktes
den Einspritzzeitpunkt der Einspritzeinrichtung 13, sowie die Temperatur und die
Abgasrückführmenge des Abgasrückführsystems 16 steuert.
Zumindest in einem der beiden Einlasskanäle 5, 6 ist ein Einlasssteuerorgan 5a
bzw. 6a angeordnet, um den Drall im Brennraum 3 verändern zu können. Mit
den Einlasskanälen 5, 6 sollte sich ein Drall mit relativ hoher Einlassdrallzahl,
also einer Drallzahl größer als 2, erreichen lassen.
Die Brennkraftmaschine weist weiters eine variable Ventilsteuerungseinrichtung
19 für die Einlassventile 7, 8 und die Auslassventile 11, 12 auf, mit welchem der
Schließzeitpunkt zumindest eines Einlassventiles 7, 8 und der Öffnungs-
und/oder Schließzeitpunkt mindestens eines Auslassventiles 11, 12 verändert
werden kann. Die variable Ventilsteuerungseinrichtung 19 kann durch eine be
kannte elektrische, hydraulische, pneumatische oder mechanische Ventilsteue
rungsvorrichtung zur Veränderung der Steuerzeit gebildet sein. Die Ventilsteue
rung erfolgt ebenfalls über die elektronische Steuereinheit ECU.
Die Brennkraftmaschine wird in der Kaltstartphase mit homogenem Gemisch mit
Fremdzündung betrieben. Bei betriebswarmer Brennkraftmaschine wird im Teil
lastbereich das Kompressionsverhältnis annähernd auf einen für die Selbstzün
dung des Benzins erforderlichen Wert von 14 : 1 bis etwa 18 : 1 angehoben. Um
den Selbstzündungszeitpunkt genau steuern zu können, werden Druck, Tempe
ratur und Zusammensetzung der Ladung allerdings so eingestellt, dass die
Selbstzündungsfähigkeit gerade noch nicht erreicht wird. Durch einen zusätzli
chen äußeren Energieimpuls wird das Niveau der Selbstzündungsfähigkeit er
reicht, worauf - nach Ablauf eines gewissen Zündverzuges - die gesamte Zylin
derladung durchbrennt. Die Einleitung des zusätzlichen externen Energieimpulses
kann durch einen Zündfunken einer Zündeinrichtung - etwa der Zündkerze 14 -
oder durch Selbstzündung einer zusätzlich eingespritzten kleinen Kraftstoffmenge
erfolgen. Im Selbstzündungsbereich wird der Kraftstoff der Einspritzeinrichtung
13 unter relativ hohem Druck zugeführt. Durch die Düse 18 der Einspritzeinrich
tung 13 wird eine gute Strahlauflösung des Kraftstoffstrahles erreicht. Der Ein
spritzzeitpunkt der Einspritzeinrichtung 13 kann über die Steuereinheit ECU in
Abhängigkeit des Entflammungszeitpunktes, welcher über die Entflammungser
fassungseinrichtung 17 erfasst wird, eingestellt werden. Eine besonders gute
Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches während des Selbstzündungsbe
reiches CI lässt sich auch durch eine bekannte äußere Gemischbildungseinrich
tung, wie beispielsweise eine in Fig. 2 strichliert angedeutete Saugrohreinspritz
einrichtung 26 oder einen Vergaser erreichen. Dadurch wird das Gemisch noch
außerhalb des Brennraumes 3 aufbereitet und homogenisiert. Der Öffnungsbe
ginn der Einlassventile 7, 8 wird so gesteuert, dass ein relativ hohes Verdich
tungsverhältnis erreicht werden kann. Zur Anhebung der Ladungstemperatur
können darüberhinaus die Steuerzeiten der Auslassventile 11, 12 verändert wer
den, um eine innere Abgasrückführung zu erreichen.
Mit steigender Last verschiebt sich allerdings der Zeitpunkt der Entflammung in
Richtung früh, was sich nachteilig auf den Verbrennungsablauf und damit auf den
spezifischen Kraftstoffverbrauch und die Leistungsausbeute auswirken kann. Im
höheren Lastbereich wird deshalb die Brennkraftmaschine nicht mehr nach dem
HCCI-Verfahren, sondern nach dem SCSI-Verfahren betrieben. Dabei wird die
Zündeinrichtung 14 wieder über die Steuereinheit ECU aktiviert, die Einspritzein
richtung 13 durch das nicht weiter dargestellte Einspritzsystem mit Kraftstoff an
gespeist, der Einlassströmung gekühltes Abgas zugeführt und das Kompressions
verhältnis durch Verstellung der Ventilsteuerung abgesenkt. Bei der Einspritzung
im Fremdzündungsbereich SI wird der Kraftstoff in Wandnähe des Brennraumes
3 eingebracht und damit eine ausgeprägte Ladungsschichtung erreicht. Da im
Fremdzündungsbereich SI keine Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches
erforderlich ist, kann der Einspritzzeitpunkt relativ spät im Vergleich zum Ein
spritzzeitpunkt im Selbstzündungsbereich CI eingestellt werden.
Die Umschaltung zwischen Selbstzündungsbetrieb und Fremdzündungsbetrieb
erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit des effektiven Mitteldruckes pe, wie in
Fig. 3 veranschaulicht ist. In Fig. 3 ist dabei der effektive Mitteldruck pe über der
Motordrehzahl n aufgetragen. Unter einem vordefinierten Grenzwert peo des ef
fektiven Mitteldruckes pe, bei dem der indizierte Mitteldruck zwischen 4 bis 9 bar,
vorzugsweise 6 bis 9 bar, besonders vorzugsweise 7 bis 8,5 bar, liegt, befindet
sich dabei der Selbstzündungsbereich CI und oberhalb des Grenzwertes peo der
Fremdzündungsbereich SI. Die Druckanstiegsgeschwindigkeit dp/dϕ des Zylin
derdruckes p über dem Kurbelwinkel ϕ ist dabei aus Geräuschgründen kleiner
oder gleich 5 bar pro Grad Kurbelwinkel ϕ. Das Motormanagementsystem stützt
sich auf die berechnete Einspritzmenge als Kontrollgröße.
Bei der beschriebenen Brennkraftmaschine und dem erläuterten Verfahren wird
nur ein einziger Kraftstofftyp verwendet, welcher neben Benzin auch ein Gas
oder ein Alkohol bzw. ein Gemisch dieser Komponenten davon sein kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Zeitpunkt des Verbrennungs
beginnes des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches im Selbstzündungsbereich so
genau festgelegt werden, wie dies bisher nur bei nicht homogenen selbstzünden
den Ladungen durch den Einspritzzeitpunkt oder bei fremdzündenden Ladungen
durch den Zündzeitpunkt möglich war.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vierventil-Brennkraftmaschine
beschrieben ist, eignet es sich selbstverständlich auch für Brennkraftmaschinen
mit anderer Ventilzahl, beispielsweise für Zwei- oder Dreiventil-Brennkraftma
schinen.
Claims (16)
1. Verfahren zum Betreiben einer mit selbstzündbarem Kraftstoff betriebenen
Brennkraftmaschine, wobei zumindest in Selbstzündungsbereichen (CI) ein
zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum (3)
erzeugt wird, ein für eine Selbstzündung des Kraftstoffes geeignetes hohes
Verdichtungsverhältnis bereitgestellt wird und die Verbrennung in Selbst
zündungsbereichen (CI) überwiegend durch Selbstzündung erfolgt, dadurch
gekennzeichnet, dass im Selbstzündungsbereich (CI) Druck und/oder
Temperatur des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches, vorzugsweise in Ab
hängigkeit der Ladungszusammensetzung und/oder Ladungstemperatur, so
eingestellt werden, dass die Selbstzündung erst nach dem eigentlichen ge
wünschten Brennbeginn im Bereich des oberen Totpunktes erreicht werden
würde, und dass die Verbrennung des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches
im Selbstzündungsbereich (CI) lokal durch einen externen Energieimpuls
eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbren
nung des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches im Selbstzündungsbereich
(CI) durch einen elektrischen Zündfunken eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbrennung des homogenen Kraftstoff-Luftgerriisches im Selbstzündungs
bereich (CI) durch die Selbstzündung einer unmittelbar vor dem Brennbe
ginn eingespritzten Pilot-Kraftstoffmenge eingeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Betreiben einer mit so
wohl fremd-, als auch selbstzündbarem Kraftstoff, insbesondere Benzin, be
triebenen Kraftmaschine, wobei dem Motorbetriebsbereich Selbstzündungs-
(CI) und Fremdzündungsbereiche (SI) zugeordnet werden und die Verbren
nung in Fremdzündungsbereichen (SI) durch Fremdzündung des Kraftstoff-
Luftgemisches eingeleitet wird, und wobei der Teillastbereich dem Selbst
zündungsbereich (CI), der Vollastbereich und/oder Motorbetriebsbereiche
mit hoher Motorlast sowie der Kaltstart dem Fremdzündungsbereich (SI) zu
geordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem
Fremdzündungsbereich (SI) eine Schichtladung im Brennraum (3) erzeugt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Betreiben einer mit so
wohl fremd-, als auch selbstzündbarem Kraftstoff, insbesondere Benzin, be
triebenen Kraftmaschine, wobei dem Motorbetriebsbereich Selbstzündungs-
(CI) und Fremdzündungsbereiche (SI) zugeordnet werden und die Verbren
nung in Fremdzündungsbereichen (SI) durch Fremdzündung des Kraftstoff-
Luftgemisches eingeleitet wird, und wobei der Teillastbereich dem Selbst
zündungsbereich (CI), der Vollastbereich und/oder Motorbetriebsbereiche
mit hoher Motorlast sowie der Kaltstart dem Fremdzündungsbereich (SI) zu
geordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem
Fremdzündungsbereich (SI) ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im
Brennraum (3) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass in Motorbetriebsbereichen mit homogenem Kraftstoff-Luftgemisch im
Brennraum (3) die Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches durch äu
ßere Gemischbildung, vorzugsweise durch Einspritzung des Kraftstoffes in
ein Saugrohr, erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass in Motorbetriebsbereichen mit homogenem Kraftstoff-Luftgemisch im
Brennraum (3) die Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches durch in
nere Gemischbildung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass in Motorbetriebsbereichen mit Schichtladung im Brennraum der Kraft
stoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Be
triebsbereichen mit homogenem Kraftstoff-Luftgemisch mit höherem Druck
eingespritzt wird als in Betriebsbereichen mit Schichtladung im Brennraum.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass das Umschalten zwischen Selbst- und Fremdzündung bei einem vorbe
stimmten Grenzwert (peo) des indizierten effektiven Mitteldruckes (pe)
durchgeführt wird, unterhalb dessen der Selbstzündungsbereich (CI) und
oberhalb dessen der Fremdzündungsbereich (SI) liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenz
wert (peo) in einem Bereich des effektiven Mitteldruckes (pe) definiert wird,
in dem der indizierte Mitteldruck zwischen etwa 4 bis 9 bar, vorzugsweise
zwischen etwa 6 bis 9 bar, besonders vorzugsweise zwischen etwa 7 bis 8,5
bar liegt, wobei vorzugsweise die Druckanstiegsgeschwindigkeit (dp/dϕ) des
Zylinderdruckes (p) kleiner gleich 5 bar pro Grad Kurbelwinkel (ϕ) ist.
12. Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An
sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des
Brennbeginnes im Selbstzündungsbereich der Druck und/oder die Tempera
tur des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches, vorzugsweise in Abhängigkeit
der Ladungszusammensetzung und/oder der Ladungstemperatur steuerbar
sind und dass zur Einleitung der Verbrennung des homogenen Kraftstoff-
Luftgemisches im Selbstzündungsbereich lokal ein externer Energieimpuls
einleitbar ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der externe Energieimpuls ein elektrischer Zündfunken einer Zündkerze (14)
ist.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der externe Energieimpuls eine selbstgezündete, unmittelbar vor dem
Brennbeginn über eine Einspritzeinrichtung (13) eingespritzte Pilot-Kraft
stoffmenge ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, dass zur Veränderung der Temperatur des homogenen
Kraftstoff-Luftgemisches ein internes oder externes Abgasrückführsys
tem (16) zur Rückführung von Abgas in die Einlassströmung vorgesehen ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch ge
kennzeichnet, dass zur Veränderung des Druckes des homogenen Kraft
stoff-Luftgemisches im Brennraum eine Einrichtung zur Veränderung des
effektiven Verdichtungsverhältnisses vorgesehen ist.
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