DE10350798A1

DE10350798A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10350798A1
Application number: DE10350798A
Authority: DE
Inventors: Götz Dipl.-Ing. Brachert; Rüdiger Dr.-Ing. Herweg; Matthias Dipl.-Ing. Pfau; Jochen Dipl.-Ing. Schäflein; Hans-Jürgen Dipl.-Ing. Weimann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: DE10350798B4; US7347180B2; US20060225693A1; WO2005047684A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem die Brennkraftmaschine betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, wobei im Kompressionszündungsmodus ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Fremdzündungsmodus eingestellt wird. Durch die erfindungsgemäße Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in Kombination mit der erfindungsgemäßen Einspritzstrategie wird der Betrieb einer HCCI-Brennkraftmaschine bei kleinen und mittleren Lasten optimiert, wobei durch die Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei hohen Lasten steile Druckanstiege und Klopfen im Fremdzündungsbetrieb vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung werden oftmals homogene magere Kraftstoff/Luft-Gemische zur Selbstzündung gebracht, so dass hohe Wirkungsgrade und verbesserte Abgasemissionen erzielt werden. Bei solchen sogenannten HCCI- bzw. PCCI-Brennkraftmaschinen, auch als Brennkraftmaschinen mit Raumzündverbrennung bekannt, wird in der Regel bei Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet und selbstgezündet. Bei Volllast wird häufig ein stöchiometrisches Gemisch gebildet und fremdgezündet, denn bei hohen Lasten könnten durch die Selbstzündung steile Druckanstiege im Brennraum auftreten, welche zu einer Beeinträchtigung des Betriebs führen würden.
Nach heutigem Stand der Technik ist eine gezielte Steuerung der oben beschriebenen Raumzündverbrennung nur schwer zu erreichen, da der Zeitpunkt der Selbstzündung sehr stark von den motorischen Parametern und den Umgebungsbedingungen abhängt. Weiterhin wird eine Optimierung der Verbrennung hinsichtlich der Abgastemperaturen, insbesondere durch die unterschiedliche Auslösung der Zündung erschwert, da ein besserer Wirkungsgrad bei einer Kompressionszündung erzielt wird als bei einer Fremdzündung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem ein wirkungsgradoptimierter Betrieb sowohl in einem Selbstzündungsmodus als auch in einem Fremdzündungsmodus gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Brennraum einer Brennkraftmaschine, die betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, Abgas während eines Kompressionszündungsmodus zurückgehalten wird, welches während eines Ladungswechsels komprimiert wird, wobei eine erste Kraftstoffmenge in das zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird. Nachfolgend wird dem Brennraum eine zweite Kraftstoffmenge zugeführt, so dass im Brennraum ein homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet wird. Erfindungsgemäß wird im Kompressionszündungsmodus ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Fremdzündungsmodus eingestellt. Vorzugsweise wird die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses durch eine Veränderung des Brennraumvolumens vorgenommen.
Durch die vorliegende Erfindung wird bei einer Raumzündverbrennung die Einstellung eines lastabhängigen Verdichtungsverhältnisses vorgenommen, so dass ein lastabhängig optimierter Wirkungsgrad und insbesondere eine bestmögliche Konvertierungsrate eines nachgeschalteten Katalysators durch die Einstellung einer gewünschten Abgastemperatur erzielt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung können während des Kompressionszündungsbetriebs, insbesondere bei kleinen und mittleren Lasten, hohe Verdichtungsverhältnisse eingestellt werden, wobei während des Fremdzündungsbetriebs, insbesondere bei hohen Lasten, eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine durch niedrigere Verdichtungsverhältnisse verringert wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird während des Kompressionszündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 10 und 20, insbesondere zwischen 12 und 16 eingestellt. Durch das hohe Verdichtungsverhältnis wird im Kompressionszündungsbetrieb eine notwendige Temperatur am Ende eines Kompressionshubs erzielt, so dass insbesondere bei kleinen und mittleren Lasten die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden. Alternativ kann im Kompressionszündungsbetrieb eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses zur Erhöhung der Abgastemperaturen, insbesondere zur Aufheizung eines Abgaskatalysators auf eine bestimmte Betriebstemperatur, vorgenommen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Fremdzündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 8 und 12 eingestellt. Hierdurch wird eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine insbesondere im Volllastbetrieb verringert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Kompressionszündungsmodus ein Selbstzündungszeitpunkt des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge eingestellt. vorzugsweise wird das Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge von 1:100 bis 2:1, insbesondere von 1:5 bis 1:3 eingestellt.
Die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge ins zurückgehaltene Abgas bewirkt eine optimale Homogenisierung bzw. eine Vorkonditionierung der ersten Kraftstoffmenge, welche zu einer Erhöhung einer Gemischreaktivität des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches führt. Hierdurch wird das Einsetzen der Selbstzündung, insbesondere bei Betriebspunkten mit geringer Abgastemperatur begünstigt. Vorzugsweise wird die erste Kraftstoffeinspritzung zwischen einem Schließen eines Auslassventils und einem Öffnen eines Einlassventils vorgenommen. Je nach Einspritzzeitpunkt der ersten Kraftstoffmenge kann der Vorkonditionierungseffekt über die reine Homogenisierung hinaus gehen. Wenn insbesondere der Kraftstoff vor dem oberen Ladungswechsel-Totpunkt ins zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird, das auch Restluft enthält, kann es zu umsetzungsartigen Reaktionen kommen, durch die die Gemischtemperatur beeinflusst, insbesondere erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Schwerpunktlage der Verbrennung mittels einer Einspritzung einer dritten Kraftstoffmenge eingestellt, die nach Beendigung der Einspritzung der zweiten Kraftstoffmenge und vorzugsweise vor einem oberen Zünd-Totpunkt vorgenommen wird. Die dritte Kraftstoffmenge zielt insbesondere bei hohen Lasten auf eine Minderung der Reaktivität der Gesamtzylinderladung ab. Hierdurch sollen große Brenngeschwindigkeiten bzw. hohe Druckanstiege im Brennraum vermindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Dauer der Verbrennung in Abhängigkeit von der dritten Kraftstoffmenge und ihrem Einspritzzeitpunkt eingestellt. Mit der durch die dritte Kraftstoffmenge erzielten Verminderung der Gemischreaktivität wird ein Durchbrennen der Zylinderladung verlangsamt, so dass je nach Einspritzzeitpunkt der dritten Kraftstoffmenge die Verbrennungsdauer lastabhängig optimiert werden kann.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Verlauf einer Zylinderladungstemperatur einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Verdichtungsverhältnis,
2 einen schematischen Abgastemperaturverlauf einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt und einem Verdichtungsverhältnis,
3 ein schematisches Diagramm einer Zylinderdruckdifferenz in Abhängigkeit von einem Verdichtungsverhältnis und
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Betriebsstrategie zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus.
Eine beispielhafte Brennkraftmaschine mit Raumzündverbrennung umfasst vorzugsweise vier oder mehr Zylinder, in denen jeweils ein längsverschieblich gehaltener Kolben geführt und ein Brennraum zur Verbrennung von Luft mit einem Kraftstoff gebildet ist. Der Brennraum der Brennkraftmaschine wird von einem Zylinderkopf nach oben hin abgeschlossen, wobei der Kolben den Brennraum nach unten hin begrenzt. Die Brennkraftmaschine umfasst pro Brennraum mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, einen Kraftstoffinjektor und eine Zündquelle, die vorzugsweise als eine Zündkerze ausgebildet ist.
Die Brennkraftmaschine arbeitet nach dem 4-Takt-Prinzip, wobei sie lastpunktabhängig ottomotorisch, d.h. mit Fremdzündung, oder in einem Selbstzündungsmodus betrieben werden kann. Bei einem 4-Takt-Verfahren entspricht ein Takt einem vollen Kolbenhub. Das aus vier Takten bestehende Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine entspricht einem Verbrennungszyklus, wobei ein Verbrennungszyklus mit einem ersten Ansaugtakt bei einem oberen Ladungswechsel-Totpunkt beginnt, bei dem sich der Kolben in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt bewegt. Beim Ansaugtakt wird dem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt, wobei erfindungsgemäß in einem Ausschie betakt eines vorherigen Arbeitsspiels eine bestimmte Menge an Abgas im Brennraum zurückgehalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt zunächst darauf ab, den Betrieb der Brennkraftmaschine mittels einer Variation des Verdichtungsverhältnisses zu optimieren. Die Raumzündverbrennung ist insbesondere vom Temperaturniveau während der Kompression und von der am Ende der Kompression erreichten Temperatur abhängig. Über das Verdichtungsverhältnis kann auf diese Größen Einfluss genommen werden. Weiterhin kann durch eine Variation des Verdichtungsverhältnisses ein Druckanstieg im Zylinder infolge der Verbrennung sowie die Abgasemissionen optimiert werden.
In 1 ist die Abhängigkeit einer Zylinderladungstemperatur am Ende des Kompressionstakts vom Verdichtungsverhältnis dargestellt. Hier wird deutlich, wie das Temperaturniveau mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis ansteigt. Erfindungsgemäß wird bei kleinen und mittleren lasten ein hohes Verdichtungsverhältnis gemäß 4 eingestellt, so dass die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden können. Vorzugsweise kann bei niedrigen Lasten zur Einstellung einer Betriebstemperatur eines nachgeschalteten Katalysators vorübergehend bzw. während einer Aufheizphase des Katalysators ein geringeres Verdichtungsverhältnis als ein maximal einstellbares Verdichtungsverhältnis eingestellt werden. In 2 ist die Abhängigkeit der Abgastemperatur in Abhängigkeit vom gefahrenen Betriebspunkt und vom eingestellten Verdichtungsverhältnis dargestellt.
Erfindungsgemäß soll gemäß 2 eine lastabhängige Einstellung des Verdichtungsverhältnisses erzielt werden. Hierzu ist in 4 eine Betriebsstrategie gemäß der Erfindung dargestellt. Dabei wird eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ∊ in Abhängigkeit vom eingestellten Verbrennungsmodus vorgenommen. Bei kleinen und mittleren Lasten während des Kompressionszündungsbetriebs (RZV) wird ein Verdichtungsver hältnis zwischen 10 und 20, vorzugsweise zwischen 12 und 16 eingestellt. Durch das hohe Verdichtungsverhältnis wird im Kompressionszündungsbetrieb eine notwendige Temperatur am Ende eines Kompressionshubs erzielt, so dass die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden. Alternativ kann im Kompressionszündungsbetrieb eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses zur Erhöhung der Abgastemperaturen, insbesondere zur Aufheizung eines Abgaskatalysators auf eine bestimmte Betriebstemperatur, vorgenommen werden. Dagegen wird gemäß 4 während des Fremdzündungsbetriebs (Otto-Betrieb) ein Verdichtungsverhältnis zwischen 8 und 16, insbesondere zwischen 8 und 12 eingestellt. Hierdurch wird eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine insbesondere im Volllastbetrieb verringert.
Wahlweise wird die Brennkraftmaschine bei hohen Lasten, insbesondere im Volllastbereich ottomotorisch betrieben, d.h. die Zylinderladung wird fremdgezündet. Erfindungsgemäß wird während des ottomotorischen Betriebs ein hohes Verdichtungsverhältnis vermieden, da hierdurch zu hohe Druckanstiege, insbesondere bei gleichen Brenngeschwindigkeiten, verursacht werden (vgl. 3).
Vorzugsweise wird die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses mechanisch vorgenommen, d.h. das Volumen des Brennraums wird je nach Lastpunkt verändert. Hierzu können viele in der Praxis bereits erprobte Möglichkeiten zur Darstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses herangezogen werden. Beispielsweise kann ein veränderliches Brennraumvolumen durch eine Verschiebung des Zylinders bzw. des Zylinderkopfes vorgenommen werden. Hierzu gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Beispielsweise könnte durch eine Kurbelwelle, die sich in exzentrischen Lagern dreht, eine unterschiedliche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses vorgenommen werden. Hier wird durch eine Drehung der Exzenter eine vertikale Position der Lager verändert und somit der obere und untere Torpunkt des Kolbens verschoben. Dabei kann die Verschiebung einer Kurbelwellenachse an Steuer- und Abtrieb ausgeglichen werden. Die mechanische Verwirklichung eines veränderlichen Verdichtungsverhältnisses ist frei wählbar und kann beliebig vorgenommen werden.
Erfindungsgemäß wird während des Kompressionszündungsbetriebs mittels einer ersten Einspritzung, die in den mit zurückgehaltenem Abgas gefüllten Brennraum eingebracht wird, eine bestimmte Gemischreaktivität eines aus der ersten und einer nachfolgenden zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches eingestellt. Hierdurch wird das Einsetzen der Selbstzündung geregelt bzw. gesteuert. Dies ist insbesondere bei Betriebspunkten mit geringer Abgastemperatur vorteilhaft, da ein zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung auch in unteren Drehzahl- und Lastbereichen ermöglicht wird.
Durch die erste Kraftstoffmenge steht für eine anschließende Hauptverbrennung ein höheres Energie- bzw. Temperaturniveau zur Verfügung, wodurch ein Energieverlust aufgrund der kleineren umgesetzten Kraftstoffmenge bei der Realisierung niedriger Motorlasten kompensiert werden kann. Dadurch wird der mit Kompressionszündung gefahrene Betriebsbereich vergrößert, so dass weiterhin verbesserte Abgasemissionen beispielsweise bei Leerlauf erzielt werden können.
Vorzugsweise wird die erste Kraftstoffeinspritzung zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlassventils vorgenommen. Alternativ kann die erste Kraftstoffmenge in das im Brennraum zurückgehaltene Abgas während des Ausschiebetakts der Brennkraftmaschine zwischen dem Schließen des Auslassventils und 270°KW vor einem oberen Zünd-Totpunkt eingespritzt werden.
Alternativ kann die erste Kraftstoffmenge in einem Bereich zwischen dem Schließen des Auslassventils und einem Ladungswechsel-Totpunkt in den Brennraum eingebracht werden. Hier durch werden die Umsetzungsartigen Reaktionen bei der ersten Kraftstoffeinspritzung erhöht. Die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge führt zu umsetzungsartigen Reaktionen, mit denen die Gemischendtemperatur beeinflusst wird. Somit kann der Selbstzündzeitpunkt beeinflusst werden. Vorzugsweise beträgt die erste Kraftstoffmenge zwischen 0% und 30% der Gesamtkraftstoffmenge, wobei die zweite Kraftstoffmenge zwischen 40% und 100% der Gesamtkraftstoffmenge betragen kann.
Durch die Einbringung der zweiten Kraftstoffmenge in den Brennraum wird das Hauptgemisch gebildet, das im Kompressionstakt verdichtet wird. Während des Kompressionstaktes bewegt sich der Kolben in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt bis zum oberen Zünd-Totpunkt. Das gebildete Hauptgemisch wird in einem Bereich des oberen Zünd-Totpunkts durch die vorliegende Kompression gezündet. Erfindungsgemäß kann der Selbstzündungszeitpunkt des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemischs in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge eingestellt werden. Eine besonders vorteilhafte Vorkonditionierung des Hauptgemisches stellt sich bei einem Mengenverhältnis zwischen 1:5 und 1:3 ein. Vorzugsweise wird die zweite Kraftstoffmenge in einem Bereich zwischen 300°KW und 120°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt in den Brennraum eingespritzt.
Während der noch laufenden Verbrennung des Hauptgemisches expandiert der Kolben in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt. Die Schwerpunktlage der Verbrennung kann erfindungsgemäß mittels einer Einspritzung einer dritten Kraftstoffmenge optimiert werden. wahlweise findet die Einspritzung der dritten Kraftstoffmenge vor oder nach dem Einsetzen der Selbstzündung statt, wobei vorzugsweise vor dem oberen Zünd-Totpunkt eingespritzt wird, so dass die Reaktivität des Hauptgemisches bzw. der Gesamtzylinderladung vermindert bzw. verändert werden kann. Die dritte Kraftstoffeinspritzung kann in vorteilhafter Weise die Dauer der Verbrennung in Abhängig keit von ihrem Einspritzzeitpunkt und/oder ihrer Menge steuern. Hierdurch werden steile Druckanstiege im Brennraum verhindert und somit bessere Abgasemissionen erzielt. Vorzugsweise beträgt die dritte Kraftstoffmenge zwischen 10% und 30% der Gesamtkraftstoffmenge.
Im darauf folgenden Ausschiebetakt fährt der Kolben in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Ladungswechsel-Totpunkt und schiebt die Abgase aus dem Brennraum aus. während des Ausschiebetakts wird das Auslassventil geöffnet, so dass die Abgase aus dem Brennraum ausgeschoben werden, wobei durch ein frühzeitiges Schließen des Auslassventils eine bestimmte Menge an Abgas im Brennraum zurückgehalten wird.
Durch die erfindungsgemäße Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in Kombination mit der erfindungsgemäßen Einspritzstrategie kann die Brennkraftmaschine im wesentlichen in allen Lastbereichen mit Kompressionszündung und mit Fremdzündung mit einem optimierten Wirkungsgrad betrieben werden, ohne dass es zu Zündaussetzern kommt. Somit wird der Betrieb einer HCCI-Brennkraftmaschine bei kleinen Lasten ermöglicht, wobei durch die Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei hohen Lasten steile Druckanstiege und Klopfen im Fremdzündungsbetrieb vermieden werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, einem Zylinderkopf, in dem mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil angeordnet sind, einem Kolben und einem zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben begrenzten Brennraum, dem Frischluft über eine Saugrohreinrichtung zugeführt wird, bei dem die Brennkraftmaschine betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, wobei – während eines Kompressionszündungsmodus im Brennraum Abgas zurückgehalten und während eines Ladungswechsels komprimiert wird, und – eine erste Kraftstoffmenge mittels eines im Brennraum angeordneten Injektors in das zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird, wobei – nachfolgend dem Brennraum eine zweite Kraftstoffmenge zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – im Kompressionszündungsmodus ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Fremdzündungsmodus eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass während des Kompressionszündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 10 und 20, insbesondere zwischen 12 und 16 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass während des Fremdzündungsbetriebs ein Verdichtungsver hältnis zwischen 8 und 16, insbesondere zwischen 8 und 12 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Selbstzündungszeitpunkt des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemischs in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwerpunktlage der Verbrennung mittels einer Einspritzung einer dritten Kraftstoffmenge eingestellt wird, die nach Beendigung der Einspritzung der zweiten Kraftstoffmenge und vor einem oberen Zünd-Totpunkt vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer der Verbrennung in Abhängigkeit von der dritten Kraftstoffmenge und/oder ihrem Einspritzzeitpunkt eingestellt wird.