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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter
Selbstzündung.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung sowie ein Computerprogramm
zur Durchführung
des Verfahrens.
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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 .
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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).
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Im
Zusammenhang mit selbstzündenden
Brennverfahren spielt die Steuerung/Regelung der Selbstzündung eine
entscheidende Rolle, sowie der Kennfeldbereich wo dieses Brennverfahren
einsetzbar ist. Darüber
hinaus besteht die Notwendigkeit, wischen den Betriebsarten Fremdzündung und
Selbstzündung
schnell und drehmomentneutral umschalten zu können, da im niedrigen Lastbereich
die Selbstzündung
betrieben werden kann und Richtung höhere Lasten in den Frendzündbetrieb
umgeschaltet werden muss. Neue homogene ottomotorische Brennverfahren
(Benzinselbstzündung)
sind nur in einem begrenzten Kennfeldbereich und unter einem sehr
gut definierten thermodynamischen Zustand der Zylinderladung einsetzbar,
wobei hohe Temperaturen durch hohe Abgasrückführung, -rücksaugen, -vorlagern oder Abgasrückhaltung
benötigt
werden.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zum Übergang
einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung
und mit teilvariablem Ventiltrieb, von einer Ausgangsbetriebsart
in eine Zielbetriebsart, wobei die Ausgangsbetriebsart und die Zielbetriebsart
entweder eine fremdgezündet
Betriebsart oder eine selbstzündende
Betriebsart sind, umfassend die Verfahrensschritte
- – Anpassung
der Betriebsparameter der Ausgangsbetriebsart an für die Zielbetriebsart
erforderliche Werte in einer Vorsteuerungsphase
- – Umschaltung
der Betriebsart nach der Vorsteuerungsphase
- – Regelung
der Betriebsparameter nach der Umschaltung.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass bei einem Übergang
von einer fremdgezündeten
Betriebsart in eine selbstzündende
Betriebsart in der Vorsteuerungsphase die Gastemperatur in einem
Brennraum der Brennkraftmaschine erniedrigt wird, indem weniger
Restgas zurückgehalten
bzw. zurückgeführt wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass während
der Übergangsphase
eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um die Luftmenge
zu erhöhen
und dass die Restgasmenge zum Ende der Übergangsphase wieder erhöht wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass mit der Umschaltung der Betriebsart eine Regelung
eines Ventiltriebes, eine Regelung einer Abgasrückführung, eine Regelung einer
Drosselklappe und eine Regelung einer Einspritzung einsetzt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass bei einem Übergang
von einer selbstzündenden
Betriebsart in eine fremdgezündete
Betriebsart während
der Vorsteuerungsphase der Restgasanteil im Zylinder minimiert wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass während
der Vorsteuerungsphase die Drosselklappe geschlossen wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass mit der Umschaltung der Betriebsart eine Regelung
eines Ventiltriebes, eine Regelung einer Abgasrückführung, eine Regelung einer
Drosselklappe, eine Regelung einer Zündung und eine Regelung einer
Einspritzung einsetzt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Regelungen zyklussynchron sind.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät mit Mitteln
zur Steuerung eines Übergangs
eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung mit teilvariablem
Ventiltrieb von einer Ausgangsbetriebsart in eine Zielbetriebsart,
wobei die Ausgangsbetriebsart und die Zielbetriebsart entweder eine fremdgezündete Betriebsart
oder eine selbstzündende
Betriebsart sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät Mittel
zur Anpassung der Betriebsparameter der Ausgangsbetriebsart an für die Zielbetriebsart
erforderliche Werte in einer Vorsteuerungsphase, Mittel zur Umschaltung
der Betriebsart nach der Vorsteuerungsphase und Mittel zur Regelung
der Betriebsparameter nach der Umschaltung umfasst.
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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, insbesondere einem Steuergerät, ausgeführt wird.
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Vorteilhaft
ist eine schnelle und drehmomentneutrale Vorsteuerung und Regelung
einer solchen Betriebsartenumschaltung. Erfindungsgemäß wird eine
Kombination von Vorsteuerung mit zyklussynchroner Regelung benutzt.
Die Erfindung ermöglicht
die Umschaltung zwischen den fremdgezündeten Betrieb und den selbstzündenden
Betrieb und zurück.
Dabei wird davon ausgegangen, dass ein teilvariables Ventiltrieb
zur Verfügung
steht (Ein-/Auslass-Phasenverstellung
und Ein-/Auslass-Ventilhubumstellung).
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 eine
Skizze eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Diagramm des Brennraumdruckes über
dem Kurbelwellenwinkel;
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3 Öffnungs-
und Schließzeiten
der Gaswechselventile;
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4 einen
Ventil-Öffnungsverlauf
für eine
Betriebsart Fremdzündung;
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5 einen
Ventil-Öffnungsverlauf
für eine
Betriebsart Fremdzündung
bei Früher-Einlaß-Schließt (FES);
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6 einen
Ventil-Öffnungsverlauf
in einer Betriebsart Selbstzündung;
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7 einen
Ventil-Öffnungsverlauf
für einen
vollvariablen Ventiltrieb;
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8 einen
Ventil-Öffnungsverlauf
für einen
teilvariablen Ventiltrieb.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Anhand
der
1 wird zunächst
das technologische Umfeld der Erfindung beschrieben. Dargestellt ist
ein Zylinder
1 einer ansonsten nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine,
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 über
eine oder wie hier dargestellt zwei verstellbare Nockenwellen
6,
8 angesteuert,
die Brennkraftmaschine ist also mit einer so genannten teilvariablen
Ventilsteuerung ausgestattet. Bei dem teilvariablen Ventiltrieb
wie dieser z.B. aus der
DE 19929393 bekannt
ist können
die Ventilsteuerzeiten verschoben werden, d.h. Ventilöffnen und
Schließen
können
bezüglich
des Kurbelwellenwinkels gemeinsam um einen Winkel Δϕ verändert werden,
die Ventilöffnungsdauer
bezogen auf den überstrichenen
Kurbelwellenwinkel bleibt konstant. Dazu ist im Antrieb zwischen
Kurbelwelle und Nockenwelle ein hydraulischer Steller angeordnet,
der eine Relativverstellung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle
bewirkt. Bei getrennten Nockenwellen z.B. für Ein- und Auslassventile kann
diese Verstellung auch getrennt um einen Winkel Δϕ
E für die Einlassventile
EV und Δϕ
A für
die Auslassventile AV erfolgen.
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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. Eine Abgasrückführung 9 mit einem Regelventil 10 ermöglicht eine
Rückführung der
Abgase aus dem Auslaß 7 zurück zum Einlaß 5.
Eine derartige Rückführung wird
als äußere Abgasrückführung bezeichnet.
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 zurückströmt bzw.
zurückgesaugt
wird.
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In
den Brennraum 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 13 mit einem nicht dargestellten
Hochdruck-Rail der Brennkraftmaschine verbunden. Die Hochdruckleitung 13 führt Kraftstoff
zu dem Injektor 12. Der Injektor 12 wird elektrisch
durch ein Steuergerät 14 angesteuert,
entsprechend werden durch das Steuergerät 14 auch die Zündkerze 11 sowie der
Stelle für
die Nockenwellen des oder der Einlaßventil(e) EV und für die Nockenwelle
des oder der Auslaßventil(e)
AV gesteuert. Statt eines Einlaßventils
EV und eines Auslaßventils
AV können
hier auch mehrere Einlaßventile
EV und mehrere Auslaßventile
AV als Gaswechselventile vorgesehen sein.
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Bei
dem teilvariablen Ventiltrieb wie dieser z.B. aus der
DE 19929393 bekannt ist können die
Ventilsteuerzeiten verschoben werden, d.h. Ventilöffnen und
Schließen
können
bezüglich
des Kurbelwellenwinkels gemeinsam verändert werden, die Ventilöffnungsdauer
bezogen auf den überstrichenen
Kurbelwellenwinkel bleibt konstant.
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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.
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In 3 ist das Öffnen und Schließen jeweils
des Einlaßventiles
IV sowie des Auslaßventiles
EV dargestellt. Das Auslaßventil
EV wird wie bei einem 4-Takt-Motor üblich im Ausstoßtakt zwischen –180° bis 0° Kurbelwelle
geöffnet,
entsprechend wird das Einlaßventil
IV im Bereich des Ansaugtaktes zwischen 0° Kurbelwelle und 180° Kurbelwellenwinkel
geöffnet.
In 3 sind vier Fälle dargestellt, die jeweils
unterschiedliche Ventilöffnungsstrategien
repräsentieren.
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In 3.1 ist die übliche
Ventilöffnungsstrategie
dargestellt, bei der das Auslaßventil
EV 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 26.
Das Einlaßventil
IV wird erst etwa bei 90° Kurbelwellenwinkel
geöffnet
sobald Druckgleichgewicht zwischen Brennraum 26 und Ansaugtrakt
besteht und verbleibt geöffnet
in etwa bis zum Erreichen des Unteren Totpunktes. Auf diese Art
und Weise wird eine so genannte negative Ventilüberlappung bewirkt, die dafür sorgt,
dass ein Teil der verbrannten Abgase im Brennraum 26 verbleibt
und zur Erwärmung
des im Ansaugtakt in den Brennraum eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches dient.
Auf diese Art und Weise wird im Brennraum 26 ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch erzeugt.
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3.2 zeigt eine Alternative Ansteuerstrategie für die Einlaß- und Auslaßventile.
In diesem Fall bleibt das Auslaßventil
EV 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
IV wird zusätzlich
im Bereich von etwa 90° Kurbelwellenwinkel
bis kurz vor Erreichen des Unteren Totpunktes UT zusätzlich das
Auslaßventil
EV 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 zurückbefördert wird.
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In 3.3 ist eine weitere Ventilsteuerstrategie dargestellt,
bei dieser bleibt das Auslaßventil
EV 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
IV 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 26 ausgestoßen und
sodann zwischen 0° Kurbelwellenwinkel
und dem Schließen
des Auslaßventils
EV hier bei etwa 120° Kurbelwellenwinkel
wieder aus der Abgasanlage in dem Brennraum 26 angesaugt.
Das Einlaßventil
IV 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.
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3.4 zeigt eine weitere Variante einer Ventilsteuerstrategie,
bei dieser ist das Auslaßventil
EV zwischen dem Unteren Totpunkt bei –180° Kurbelwelle und dem Oberen
Totpunkt bei 180° Kurbelwelle
geöffnet, das
Einlaßventil
IV 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° Kurbelwellenwinkel
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 26 zurück transportiert.
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Die
Ventilsteuerung im Ausführungsbeispiel
der 3.1 bewirkt eine heiße Restgasmenge
im Brennraum 26 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 reaktivere Zwischenprodukte, die den Selbstzündzeitpunkt
maßgeblich
beeinflussen und hier den Selbstzündzeitpunkt reduzieren. Das
Einlaßventil
wird geöffnet,
sobald Druckgleichgewicht zwischen Saugrohr und Brennraum herrscht,
um Strömungsverluste
zu vermeiden.
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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 positive 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 Kraftstoffes 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.
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Durch
(teilweises) Öffnen
des Reglerventils 10 wird die externe Abgasführung realisiert.
Das in den Auslaß 7 ausgestoßene Abgas
wird dann über
die Abgasrückführung 9 und
das Regelventil 10, das als Drosselventil in beliebige
Zwischenstellung zwischen einer vollständig geschlossenen und einer
vollständig
geöffneten
Stellung gebracht werden kann, zum Einlaß 5 rückgeführt. Je
nach Öffnung
des Regelventils 10 wird dabei mehr oder weniger Abgas
aus dem Auslaß 7 zum
Einlaß 5 rückgeführt.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele
von Verfahren bzw. Umschaltstrategien für unterschiedliche Betriebsstrategien
dargestellt, sowohl im fremdgezündeten
Modus, insbesondere bei der Ventilstrategie Frühes Einlass Schließt (FES)
die schon eine Entdrosselung des Saugrohres bewirkt und dadurch
eine Verbrauchsreduktion ermöglicht,
als auch im selbstzündenden
Modus, welches noch mehr Verbrauchspotential bietet.
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Die
Umschaltung zwischen den Betriebsarten Fremdzündung und Selbstzündung ist
sehr empfindlich gegenüber
den thermodynamischen Bedingungen die insbesondere für die Selbstzündung benötigt werden um
sehr genau den gewünschten
Verbrennungsvorgang zu erreichen. Aber auch mit Fremdzündung sind
starke Temperaturunterschiede zu vermeiden, da die Gemischbildung
dadurch beeinflusst wird (schlechte Gemischbildung bei z. B. kältere Ladung
oder hohem Restgasanteil aus der Selbstzündung des vorigen Zyklus, was
höhere
Emissionen verursacht). Mit Hilfe einer zyklussynchronen Regelung
wird die Vorsteuerung bei der Umschaltung korrigiert.
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Folgende
Betriebsmodi im Last-Drehzahl-Kennfeld eines Ottomotors sind möglich:
- 1. Fremdzündung
gedrosselt über
Drosselklappe
- 2. Fremdzündung
ungedrosselt über „Frühes Einlass
Schließt" (variable Ventilsteuerung)
- 3. Fremdzündung
ungedrosselt im Schichtbetrieb
- 4. Kontrollierte Selbstzündung;
- 5. Mischbetrieb: n Zylinder in Fremdzündung, m Zylinder in Kontrollierte
Selbstzündung
(wobei n und m beliebige Zahlen sein können).
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All
diese Betriebsmodi lassen sich sowohl im 2- oder 4-Takt Modus realisieren.
Darüber
hinaus sind auch Mehrtakt-Verfahren möglich wie z. B. 6-Takt (z.B.
1 bzw. 2 gezündete
Arbeitstakte) oder 8-Takt Modus (z.B. Zylinderabschaltung).
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Zwischen
diese Betriebsarten können
folgende Betriebsartenwechsel vorgenommen werden:
- 1.
Fremdzündung
gedrosselt zu Selbstzündung;
- 2. Selbstzündung
zu Fremdzündung
gedrosselt;
- 3. Fremdzündung
ungedrosselt (Frühes
Einlass Schließt)
zu Selbstzündung
(insbesondere beim Einsatz eines teilvariablen Ventiltriebes);
- 4. Selbstzündung
zu Fremdzündung
ungedrosselt (Frühes
Einlass Schließt)
(insbesondere beim Einsatz eines teilvariablen Ventiltriebes);
- 5. Fremdzündung
ungedrosselt (Schichtbetrieb oder vollvariablen Ventiltrieb) zu
Selbstzündung;
- 6. Selbstzündung
zu Fremdzündung
ungedrosselt (Schichtbetrieb oder vollvariablen Ventiltrieb);
- 7. Selbstzündung
2-Takt zu Selbstzündung
4-Takt;
- 8. Selbstzündung
4-Takt zu Selbstzündung
2-Takt;
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Die
Betriebsartenwechsel 3. und 4. sind hier besonders wichtig, weil
sie durch den Einsatz eines nur teilvariablen Ventiltriebes (wie
z.B. Ein-/Auslass-Phasenverstellung und Ein-/Auslass-Ventilhubumstellung)
zu sehr Kostengünstige
Varianten führen
können
die Vorteile beider Brennverfahren zu ermöglichen: Fremdzündung mit
FES und Selbstzündung.
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Nachfolgend
wird ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten, nämlich die Umschaltung von Fremdzündung gedrosselt
(4) zu Selbstzündung
(6) dargestellt.
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Beim Übergang
von fremdgezündeten
Betrieb in Selbstzündungsbetrieb
muss beachtet werden, dass beim fremdgezündeten Betrieb eine höhere Abgastemperatur
bzw. Abgasenthalpie erzeugt wird. Für den Umschaltvorgang bedeutet
dies, dass während
einer kurzen Übergangsphase
(z.B. zwischen 5 und 10 Arbeitsspielen) zunächst weniger Restgas zurückgehalten
bzw. zurückgeführt wird,
um die gewünschte
Temperatur bzw. Enthalpie für
die Selbstzündung
einzustellen. Die für
die Selbstzündung
benötigte
Restgasmenge kann über
einen variablen Ventiltrieb, siehe
7 (z. B.
umschaltbare Nockenwelle, voll variabler Ventiltrieb oder andere
variablen Ventiltriebsystemen) und/oder über eine externe Abgasrückführung (AGR),
die konditioniert sein kann (gekühlt
oder temperiert), zurückgeführt werden.
Während
der Übergangsphase
muss neben einer definierten Erhöhung
der Restgasmenge gleichzeitig die Drosselklappe gesteuert oder geregelt öffnen, damit die
benötigte
Luftmenge in den Zylinder gelangt. Damit sich der Übergang
möglichst
drehmomentneutral gestaltet, muss die Ladung sowie der Einspritzzeitpunkt
gezielt geregelt werden um den gewünschten Selbstzündzeitpunkt
zu erreichen. Die Last wird im Selbstzündungsbetrieb grundsätzlich über die
eingespritzte Kraftstoffmasse eingestellt, während die Verbrennungslage
durch eine gezielt eingestellte Mischung zwischen Restgas- und Frischluftmasse
und über
den Einspritzzeitpunkt geregelt wird. Zielführend für die Umschaltung ist eine
Kombination von Vorsteuerung mit zyklussynchroner Regelung. Siehe
Tabelle 1. Tabelle
1: Umschaltung von Fremdzündung
gedrosselt zu Selbstzündung
ab Zyklus Z
| Zyklus | Brennverfahren | Übergangs-Regelung |
| ... | Fremdzündung | nein |
| Z–1 | Fremdzündung | nein |
| Z | Selbstzündung | Umschaltung
Ventiltrieb, Regelung von AGR, Drosselklappe und Einspritzung |
| Z+1 | Selbstzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe und Einspritzung |
| ...
bis Z+x–1 | Selbstzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe und Einspritzung |
| Z+x | Selbstzündung | Ende Übergang |
| ... | Selbstzündung | nein
(nur Regelung der Selbstzündung) |
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Nachfolgend
wird ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten, nämlich die Umschaltung von Selbstzündung (6)
zu Fremdzündung
gedrosselt (4), dargestellt.
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Beim Übergang
vom Selbstzündungsbetrieb
in den fremdgezündeten
Betrieb muss beachtet werden, dass beim Selbstzündungsbetrieb eine niedrigere
Abgastemperatur erzeugt wird. Das kann während der Umschaltung zu höheren Emissionen
führen,
daher ist eine optimale Gemischbildung in dieser Phase nötig. Während der
Umschaltung wird z. B. über
den variablen Ventiltrieb, siehe
7, und/oder über die
externe Abgasrückführung der
Restgasanteil im Zylinder minimiert um die fremdgezündete Verbrennung
stabil zu gestalten. Dabei muss gleichzeitig die Drosselklappe geregelt
schließen,
damit nur die benötigte
Luftmenge in den Zylinder gelangt. Neben der Ladung müssen auch
der Zünd-
und Einspritzzeitpunkt gezielt geregelt werden, um das gewünschte Drehmoment
zu erzeugen. Auch hier ist eine Kombination von Vorsteuerung mit
zyklussynchroner Regelung von Vorteil. Siehe Tabelle 2. Tabelle
2: Umschaltung von Selbstzündung
zu Fremdzündung
gedrosselt ab Zyklus Z
| Zyklus | Brennverfahren | Übergangs-Regelung |
| ... | Selbstzündung | nein
(nur Regelung der Selbstzündung) |
| Z–1 | Selbstzündung | nein
(nur Regelung der Selbstzündung) |
| Z | Fremdzündung | Umschaltung
Ventiltrieb, Minimierung von AGR, Regelung von Ventiltrieb, AGR,
Drosselklappe, Zündung
und Einspritzung |
| Z+1 | Fremdzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe, Zündung und Einspritzung |
| ... | Fremdzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe, Zündung und Einspritzung |
| Z+x | Fremdzündung | Fremdzündung Ende Übergang |
| ... | Fremdzündung | nein
(evtl. Verbrennungsregelung) |
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Nachfolgend
wird ein drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten, nämlich die Umschaltung von Fremdzündung ungedrosselt
(5) – Frühes Einlass
Schließt – zu Selbstzündung (6),
vorgestellt. Dieses Verfahren findet insbesondere beim Einsatz eines
teilvariablen Ventiltriebe anwendung. Beim Übergang von fremdgezündeten ungedrosselten
Betrieb durch FES in den Selbstzündungsbetrieb
muss beachtet werden, dass beim fremdgezündeten Betrieb eine höhere Abgastemperatur
bzw.
-
Abgasenthalpie
erzeugt wird. Für
den Umschaltvorgang bedeutet dies, dass während einer kurzen Übergangsphase
(z.B. zwischen 5 und 10 Arbeitsspielen) zunächst weniger Restgas zurückgehalten
bzw. zurückgeführt wird,
um die gewünschte
Temperatur bzw. Enthalpie für
die Selbstzündung
einzustellen. Die für
die Selbstzündung
benötigte
Restgasmenge kann über
einen teilvariablen Ventiltrieb, siehe 8 (z. B.
umschaltbare Nockenwelle, insbesondere hier im Auslass für die Restgasrückhaltung)
und/oder über
eine externe Abgasrückführung (AGR), die
konditioniert sein kann (gekühlt
oder temperiert), zurückgeführt werden.
Während der Übergangsphase
muss neben einer definierten Erhöhung
der Restgasmenge gleichzeitig die Drosselklappe gesteuert oder geregelt
werden, damit die benötigte
Luftmenge in den Zylinder gelangt. Dadurch, dass die FES-Strategie
schon einen Teil oder eine komplette Entdrosselung im Saugrohr darstellt,
ist hier besonderes wichtig die schnelle Phasensteuerung und/oder
-regelung der Einlassnockenwelle. Aufgrund der FES-Strategie wo
die die Einlassventile in nähe
des LW-OT öffnen
und früh
schließen
(ca. 70–120°KW nach LW-OT),
siehe 8, muss für
die Selbstzündung
die eher späte
Phasenstellung erreicht werden wo die Ventile spät öffnen (ca. 70–120°KW nach LW-OT)
und um den UT (z.B. 180–240°KW nach LW-OT)
schließen.
In diesem Fall wird es wichtig sein zuerst im Fremdgezündeten Modus
und mit Hilfe der Drosselklappe (drosseln um die Luftmenge einzuregeln)
und Zündwinkel
(späten
Zündwinkel
falls notwendig wegen Drehmomentneutralität), die Spätstellung der Einlassnockenwelle
zu erreichen welche für
den Selbstzündbetrieb
(CAI) notwendig ist, und dann erst umschalten in der CAI-Betrieb.
-
Damit
sich der Übergang
nach der Umschaltung in den CAI-Betrieb möglichst drehmomentneutral gestaltet,
muss die Ladung sowie der Einspritzzeitpunkt gezielt geregelt werden
um den gewünschten
Selbstzündzeitpunkt
zu erreichen. Die Last wird im Selbstzündungsbetrieb grundsätzlich über die
eingespritzte Kraftstoffmasse eingestellt, während die Verbrennungslage
durch eine gezielt eingestellte Mischung zwischen Restgas- und Frischluftmasse
und über
den Einspritzzeitpunkt geregelt wird. Zielführend für die Umschaltung ist eine
Kombination von Vorsteuerung mit zyklussynchroner Regelung. Siehe
Tabelle 3. Tabelle
3: Umschaltung von Fremdzündung
gedrosselt zu Selbstzündung
ab Zyklus Z
| Zyklus | Brennverfahren | Übergangs-Regelung |
| ... | Fremdzündung | nein |
| Z–1 | Fremdzündung | nein |
| Z | Fremdzündung | Einstellung
kleine Einlassnockenwelle nach spät, Regelung von AGR, Drosselklappe,
Zündwinkel (nach
spät zur
Drehmomentneutralität)
und Einspritzung (Masse und Timing) |
| Z+1 | Fremdzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe und Einspritzung |
| ... | Fremdzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe und Einspritzung |
| Z+w | Selbstzündung | Umschaltung
Ventiltrieb (Auslassnockenwelle auf kleiner Nockenprofil für Restgasrückhaltung),
Regelung von AGR, Drosselklappe (auf) und Einspritzung |
| Z+w+1 | Selbstzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe und Einspritzung |
| ... | Selbstzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe und Einspritzung |
| Z+w+x | Selbstzündung | Ende Übergang |
| ... | Selbstzündung | nein
(nur Regelung der Selbstzündung) |
- x, w = 5–10 Zyklen (z. B.)
-
Nachfolgend
wird ein viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten, nämlich die Umschaltung von Selbstzündung (6)
zu Fremdzündung
ungedrosselt – Frühes Einlass
Schließt – (5),
dargestellt. Dieses Verfahren findet insbesondere beim Einsatz eines
teilvariablen Ventiltriebe Anwendung.
-
Beim Übergang
vom Selbstzündungsbetrieb
in den fremdgezündeten
ungedrosselten Betrieb muss beachtet werden, dass beim Selbstzündungsbetrieb
eine niedrigere Abgastemperatur erzeugt wird. Das kann während der
Umschaltung zu höheren
Emissionen führen,
daher ist eine optimale Gemischbildung in dieser Phase nötig. Während der
Umschaltung wird z. B. über
den teilvariablen Ventiltrieb, siehe
8 (Auslassnockenwelle
wird auf Vollhub geschaltet) und/oder über die externe Abgasrückführung der
Restgasanteil im Zylinder minimiert um die fremdgezündete Verbrennung
stabil zu gestalten. Dabei muss gleichzeitig die Drosselklappe geregelt
schließen
und gleichzeitig die Phasenstellung der Einlassnockenwelle nach
früh gezogen
werden um die FES-Strategie zu fahren, damit nur die benötigte Luftmenge
in den Zylinder gelangt. Bei Erreichen der frühen Einlassnockenwellen Position
kann die Drosselklappe wieder geöffnet
werden um die Vorteile des FES und der Entdrosselung zu bekommen.
Neben der Ladung müssen
auch der Zünd-
und Einspritzzeitpunkt gezielt geregelt werden, um das gewünschte Drehmoment
zu erzeugen. Einerseits Zündwinkel
nach spät
stellen falls Drehmoment reduziert werden muss um die Drehmomentneutralität zu garantieren
und andererseits die Kraftstoffmasse anpassen damit die Bedingungen
für eine
stabile Verbrennung dargestellt werden kann: Lambda = 1 oder leicht
Mager, Lambda > 1.
Auch hier ist eine Kombination von Vorsteuerung mit zyklussynchroner
Regelung von Vorteil. Siehe Tabelle 4. Tabelle
4: Umschaltung von Selbstzündung
zu Fremdzündung
gedrosselt ab Zyklus Z:
| Zyklus | Brennverfahren | Übergangs-Regelung |
| ... | Selbstzündung | nein
(nur Regelung der Selbstzündung) |
| Z–1 | Selbstzündung | nein
(nur Regelung der Selbstzündung) |
| Z | Fremdzündung | Umschaltung
Ventiltrieb (Auslassnockenwelle auf vollem Hub zur Restgasminimierung)
und gleichzeitiges verstellen der Einlassnockenwelle Richtung frühe Position zur
Gestaltung der FES-Strategie, Minimierung von AGR, Regelung von
Drosselklappe (geregelt schließen
zur gezielten Lufteinbringung), Zündung (nach spät zur Drehmomentneutralität) und Anpassung der
Einspritzung (Masse und Timing) |
| Z+1 | Fremdzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe, Zündung und Einspritzung |
| ... | Fremdzündung | Regelung
von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe (wieder geregelt aufmachen zur Entdrosselung
durch die FES-Strategie), Zündung
und Einspritzung |
| Z+x | Fremdzündung | Ende Übergang |
| ... | Fremdzündung | nein
(evtl. Verbrennungsregelung) |
-
Bei
einer Umschaltung zwischen Fremdzündung ungedrosselt im Schichtbetrieb
(Ventiltrieb wie in 4) oder mit vollvariablen Ventiltrieb
(5) und Selbstzündung
(6) ist beim Übergang
von fremdgezündetem
ungedrosselten Betrieb zu Selbstzündungsbetrieb und zurück die Regelungsstrategie
sehr ähnlich zu
den Betriebsartenwechsel 1 und 2. Aufgrund der Entdrosselung entfällt jedoch
weitestgehend eine Regelung der Drosselklappe, so dass der Umschaltvorgang
erleichtert wird. Eine Regelung von Einspritzung, Zündung und
AGR (intern und/oder extern) ist jedoch ebenfalls erforderlich.
-
Bei
einer Umschaltung zwischen Selbstzündung 2-Takt zu Selbstzündung 4-Takt
und zurück
handelt es sich um ein Verfahren, insbesondere der 2-Takt Betrieb,
welches eigentlich nur mit einer erweiterten Variabilität im Ventiltrieb
realisierbar ist (z. B. vollvariabler Ventiltrieb: z.B. elektrohydraulische
oder elektromechanische Ventilsteuerung). Hier ist die Umschaltung ähnlich wie
bei den vorherigen Beispielen, wobei der Ventiltrieb, die AGR und
die Einspritzung geregelt werden müssen. Eventuell wird auch die
Steuerung bzw. Regelung einer Aufladung benötigt.
-
In 9 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Erfindungsgemäßen Verfahrens
als Ablaufdiagramm am Beispiel der Umschaltung von Fremdzündung gedrosselt
zu Selbstzündung
dargestellt. Das Verfahren beginnt in Schritt 101 im Zyklus
Z–1 in
der Betriebsart Fremdzündung
gedrosselt In Schritt 102 wird im Zyklus Z in die Selbstzündung übergegangen,
dabei erfolgt eine Umschaltung des Ventiltriebes sowie eine Regelung
von AGR, Drosselklappe und Einspritzung. In Schritt 103 erfolgt
im Zyklus Z+1 die Regelung von Ventiltrieb, AGR, Drosselklappe und
Einspritzung. Die regelung erfolgt bis zum Schritt 104 im
Zyklus Z+x–.
Der Übergang
endet in Schritt 105 im Zyklzs Z+x, danach erfolgt in Schritt 106 ab
dem Zyklus Z+x nur noch eine regelung der Selbstzündung.