DE19952093C1 - Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung und innerer Abgasrückführung - Google Patents

Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung und innerer Abgasrückführung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung und innerer Abgasrückführung durch geeignete Ansteuerung von Einlaß- und Auslaßventilen wenigstens einer Zylinder-Kolbeneinheit. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, daß wenigstens ein Einlaßventil und wenigstens ein Auslaßventil der Zylinder-Kolbeneinheit derart ansteuerbar sind, daß das Auslaßventil-Öffnen (AÖ) vor einer zwischen einem Ausstoß- und einem Ansaugtakt liegenden oberen Ladungswechsel-Totpunktlage (LW¶OT¶) eines Kolbens und das Auslaßventil-Schließen (AS) nach dieser oberen Ladungswechswel-Totpunktlage (LW¶OT¶) im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einlaßventil-Öffnen (EÖ) stattfinden, um Abgas von einem Brennraum der Zylinder-Kolbeneinheit durch das geöffnete Auslaßventil in einen Auslaßkanal zu schieben und danach vom Auslaßkanal wieder in den Brennraum zurückzusaugen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung und innerer Abgasrückführung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Steuerung und Regelung des motorischen Prozesses einer 4-Takt- Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung und innerer Abgas­ rückführung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ist aus der Veröffentlichung "The Knocking Syndrome - Its Cure and Its Potential" von J. Willand, SAE-Paper 982483, bekannt. Bei einem dort beschriebenen homogenen Verbrennungsprozeß der Brennkraftma­ schine wird durch eine dezentrale Aktivierung einer in einem Brenn­ raum befindlichen Ladung mittels Kompression eine parallele Energie­ freisetzung erzielt im Gegensatz zu bisher üblichen Prozessen, bei welchen durch eine zentrale Aktivierung mittels einer Zündquelle (Otto- Prozess) oder mittels Einspritzung (Diesel-Prozess) eine serielle Ver­ brennung der Ladung mit sich allmählich ausbreitender Flammenfront stattfindet. Die dezentrale Aktivierung verleiht jedem Ladungselement genügend Aktivierungsenergie, um das Energiefreisetzungsniveau zu erreichen.
Besondere Vorteile bei der homogenen Verbrennung durch de­ zentrale Aktivierung der Ladung ergeben sich aus der Möglichkeit, ex­ trem magere Gemische im wesentlichen vollständig verbrennen zu können, weshalb der Brennstoffverbrauch sinkt. Mit der Verbrennung solcher extrem magerer Gemische gehen andererseits geringe Ver­ brennungstemperaturen einher, welche meist unterhalb der Grenztem­ peratur für die Bildung von Stickoxiden (NOX) liegen, so daß die Stickoxid-Emissionen einer solchen Brennkraftmaschine zumindest bei geringer Last niedrig sind.
Die Selbstzündung der Ladung beim Verbrennungsprozeß erfor­ dert jedoch ein bestimmtes Energie- und Temperaturniveau der La­ dung. Um die Temperatur im Brennraum auf das erforderliche Aktivie­ rungsniveau zu bringen, wird gemäß der zitierten Veröffentlichung bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine eine bestimmte Menge von heißem Abgas des vorangehenden Zyklusses zur Mischung mit der frischen Ladung des aktuellen Zyklusses im Brennraum zurückgehalten. Dies geschieht durch eine entsprechende Steuerung der Einlaß- und Aus­ laßventile, wobei vorgeschlagen wird, im Gegensatz zu üblichen Ven­ tilsteuerzeiten das Auslaßventil früher zu schließen und das Einlaß­ ventil später zu öffnen. Hierdurch kann eine gewisse Menge an Rest­ abgas im Brennraum zurückgehalten werden, um sie mit der frischen Ladung zu vermischen und für den nächsten Zyklus zu verwenden. Da der wiederverwendete Restabgasanteil den Brennraum bzw. die Ein­ laß- und Auslaßkanäle nicht verläßt, wird auf diese Weise eine sog. "Abgasrückhaltung" realisiert.
Die beschriebene Art der Abgasrückhaltung hat den Nachteil, daß zwischen dem im Brennraum zurückgehaltenen heißen Abgas und der demgegenüber relativ kalten Zylinderwand ein Wärmeübergang stattfindet und somit die Temperatur des Abgases sinkt. Die ge­ wünschte Erhöhung der Temperatur der Ladung im Brennraum ist dann unzureichend.
Daneben sind Abgasrückführungen bekannt, bei welchen mittels großer Ventilüberschneidungen, z. B. durch frühes Öffnen des Einlaß­ ventils Abgas vom Brennraum in einen Ansaugkanal geschoben und von dort wieder in den Brennraum zurückgesaugt wird. Da der An­ saugkanal gegenüber dem Abgas jedoch relativ kalt ist, kommt es wäh­ rend des Ein- und Ausschiebens in und aus dem Ansaugkanal eben­ falls zu einer unerwünschten Abkühlung des Abgases. Zudem wird das Ansaugsystem durch das heiße Abgas aufgeheizt, weshalb Liefer­ gradverluste entstehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu­ grunde, eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung sowie ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer solchen Brenn­ kraftmaschine zu schaffen, bei welcher Wärmeverluste des Abgases während der Abgasrückführung weitgehend vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeich­ nenden Teil der Ansprüche 1 und 5 genannten Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kom­ pressionszündung gemäß Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und Regelung einer solchen 4-Takt- Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5 haben den Vorteil, daß wegen der Abgasverschiebung vom Brennraum durch das geöffnete Auslaß­ ventil in den Auslaßkanal, in welchem die Wandtemperaturen höher sind als die der Zylinderwand, sich das Abgas dort weniger stark ab­ kühlen kann und seine für die gewünschte Erhöhung des Energieni­ veaus der Ladung hohe Temperatur annähernd beibehält.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den Pa­ tentansprüchen 1 und 5 angegebenen Erfindung möglich.
Eine besonders zu bevorzugende Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß wenn die obere Ladungswechsel-Totpunktlage durch ei­ nen Kurbelwinkel von 360 Grad definiert ist, die Einlaß- und Auslaß­ ventile folgende Steuerzeiten aufweisen:
  • - Öffnen des Auslaßventils in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 90 Grad und 180 Grad, vorzugsweise bei 150 Grad;
  • - Schließen des Auslaßventils und im wesentlichen gleichzeitiges Öffnen des Einlaßventils in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 450 Grad und 540 Grad, vorzugsweise bei 470 Grad; und
  • - Schließen des Einlaßventils in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 540 und 630 Grad, vorzugsweise bei 560 Grad.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Einlaß- und Auslaßventile elektromagnetische Ventile, welche durch eine Steuer- und Regelein­ richtung derart ansteuerbar sind, daß in Abhängigkeit der Regelgrößen bildenden Größen Beginn und Dauer oder Schwerpunkt der Verbren­ nung/Umsetzung der Ladung während eines Zyklusses als Stellgrößen eine bestimmte Menge von Abgas in den Brennraum zurückführbar und eine bestimmte Temperatur des zurückgeführten Abgases erzielbar ist, zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung für den jeweils nächsten Zyklus. Wegen der Bedeutung von Menge und Temperatur des in den Brennraum zurückgeführten Abga­ ses für den Beginn und die Dauer der Verbrennung/Umsetzung der La­ dung im Rahmen des Verbrennungsprozesses können dann besonders verbrauchs- und abgasarme Verbrennungslagen eingeregelt werden. Die variablen Steuerzeiten der Einlaß- und Auslaßventile liegen inner­ halb der genannten, zu bevorzugenden Kurbelwinkelbereiche. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, die Einlaß- und Auslaßventile elektrohydraulisch betätigbar auszubilden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Wirkungsplan einer Steuer- und Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ge­ mäß der Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Kolbenweg und die Ventil­ steuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit variabler Ven­ tilsteuerung über dem Kurbelwinkel dargestellt sind;
Fig. 3a eine schematische Querschnittsansicht einer Zylinder- Kolben-Einheit der Brennkraftmaschine mit variabler Ven­ tilsteuerung bei einem Kurbelwinkel von ca. 200 Grad;
Fig. 3b eine schematische Querschnittsansicht der Zylinder- Kolben-Einheit bei einem Kurbelwinkel von ca. 400 Grad;
Fig. 3c eine schematische Querschnittsansicht der Zylinder- Kolben-Einheit bei einem Kurbelwinkel von ca. 500 Grad;
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dient die insgesamt mit 1 be­ zeichnete Steuer- und Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine 2 mit Kompressionszündung und Viertakt-Zyklus zur Regelung des Ver­ brennungsprozesses, insbesondere zur Regelung des Beginns und der Dauer der Verbrennung/Umsetzung oder der Wärmefreisetzung einer in einem Brennraum der Brennkraftmaschine 2 befindlichen Ladung, gebildet durch ein Luft-Brennstoff-Gemisch. Durch Änderung des Be­ ginns und der Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung kann die "Lage" des Verbrennungsprozesses an die jeweiligen Randbedingun­ gen angepaßt werden, um ihn hinsichtlich Brennstoffverbrauch und Ab­ gasemissionen zu optimieren, weshalb vorzugsweise diese Größen Regelgrößen x der Steuer- und Regeleinrichtung 1 darstellen. Die Re­ gelstrecke wird durch die Brennkraftmaschine 2 gebildet, auf welche Störgrößen z wirken, z. B. in Form von Änderungen der Temperatur der Ansaugluft oder deren Drucks.
Die Regelgrößen x: Beginn und Dauer der Verbren­ nung/Umsetzung der Ladung sind von Sensoren 4 meßbar, vorzugs­ weise durch einen an sich bekannten Brennraumdrucksensor und/oder einen Ionenstromsensor, um elektrische Signale für ein Regelgerät 6 zum Vergleich der gemessenen Größen mit entsprechenden Füh­ rungsgrößen w zu erzeugen, welche z. B. in einem Kennfeldspeicher des Regelgeräts 6 abgespeichert sind. Möglich ist aber auch zur Er­ zeugung elektrischer Signale die Lichtleitmeßtechnik einzusetzen, bei­ spielsweise einen Lichtleitsensor zu verwenden, welcher die Strah­ lungsintensität im Brennraum messen kann.
Abhängig vom Vergleich der Regelgrößen x mit den zugeordne­ ten Führungsgrößen w erzeugt das Regelgerät 6 Signale zur Ansteue­ rung von Stellgrößen y liefernden Stellgliedern 8. Die Brennkraftma­ schine 2 umfaßt mehrere Zylinder mit vorzugsweise elektromagneti­ schen oder elektrohydraulischen Einlaß- und Auslaßventilen, welche Stellglieder 8 der Steuer- und Regeleinrichtung 1 bilden. Stellgrößen y der Einlaß- und Auslaßventile sind die Ventilsteuerzeiten, durch welche die Menge und Temperatur von im Brennraum einer Zylinder- Kolbeneinheit verbleibendem oder dorthin rückgeführtem Abgas be­ stimmbar und hierüber die Regelgrößen x: Beginn und der Dauer der Verbrennung/Umsetzung beinflußbar sind.
In Fig. 2 und Fig. 3a bis Fig. 3c ist beispielhaft ein besonders zu bevorzugendes Beispiel für die Ventilsteuerung eines elektromagneti­ schen Einlaßventils 10 und eines elektromagnetischen Auslaßventils 12 einer Zylinder-Kolbeneinheit 14 der Brennkraftmaschine 2 dargestellt, um eine innere Abgasrückführung zu realisieren. Im einzelnen sind in Fig. 2 in Diagrammform der Kolbenweg und die Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel gezeigt. Bei dem motorischen Prozeß der Brennkraftmaschine 2 handelt es sich vorzugsweise um einen hin­ länglich bekannten Viertakt-Prozeß mit einem Ansaugtakt, einem Ver­ dichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt. Gemäß Fig. 2 beginnend bei einem Kurbelwinkel von Null Grad befindet sich der Kol­ ben 16 in einer oberen Verbrennungsbeginn-Totpunktlage ZOT, welche den Arbeitstakt einleitet. Die Selbstzündung des Luft-Brennstoff- Gemischs erfolgt in einem Bereich zwischen 10 Grad vor ZOT bis etwa 10 Grad nach ZOT (Null-Grad Kurbelwinkel). Kurz vor Erreichen der sich anschließenden unteren Totpunktlage des Kolbens 16 öffnet das Aus­ laßventil 12 - in Fig. 2 als AÖ bezeichnet - in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 150 Grad und 180 Grad, vorzugsweise bei 165 Grad. Das Auslaßventil 12 bleibt während des sich anschließenden Ausstoßtaktes mit Aufwärtsbewegung des Kolbens 16 geöffnet, damit heißes Abgas in einen Auslaßkanal 18 geschoben werden kann, wie durch die in Fig. 3a dargestellte Kolbenlage bei etwa 200 Grad Kurbelwinkel veranschau­ licht wird. Anstatt wie üblich kurz vor Erreichen einer oberen Ladungs­ wechsel-Totpunktlage LWOT bei 360 Grad Kurbelwinkel das Einlaßventil 10 zu öffnen, bleibt dieses bis weit in den sich nun anschließenden An­ saugtakt geschlossen, wodurch mit dem sich zur unteren Totpunktlage bewegenden Kolben 16 anstatt Frischluft das zuvor in den Auslaßkanal 18 geschobene, noch heiße Abgas in den Brennraum 20 zurückge­ saugt wird, wie die in Fig. 3b dargestellte Kolbenlage bei etwa 400 Grad Kurbelwinkel verdeutlicht. Frühestens bei etwa 360 Grad Kurbelwinkel (entspricht 360 Grad vor ZOT) kann Brennstoff über eine Einspritzdüse 22 direkt in den Brennraum 20 eingespritzt werden. Möglich ist aber auch eine Saugrohreinspritzung, die beispielsweise während des An­ saugens der Frischluft bei geöffnetem Einlaßventil realisiert wird. Eine Vorlagerung des Kraftstoffes bei noch geschlossenem Einlaßventil ist dabei auch denkbar. Erst nachdem das Abgas in den Brennraum 20 zurückgesaugt wurde, erfolgt das Öffnen des Einlaßventils 10 - in Fig. 2 als EÖ bezeichnet -, um mittels des verbleibenden Rests der Abwärts­ bewegung des Kolbens 16 Frischluft aus einem Ansaugkanal 23 anzu­ saugen, wie durch Fig. 3c bei einer Kurbelwinkellage von ca. 500 Grad veranschaulicht ist. Das Einlaßventil-Öffnen EÖ erfolgt im wesentlichen gleichzeitig mit dem Auslaßventil-Schließen AS in einem Kurbelwinkel­ bereich zwischen 450 und 540 Grad, vorzugsweise bei 470 Grad. Nach Überwinden einer unteren Totpunktlage des Kolbens 16 erfolgt das mit ES bezeichnete Schließen des Einlaßventils 10 in einem Kurbelwinkel­ bereich zwischen 540 und 630 Grad, vorzugsweise bei 560 Grad. Bei der anschließenden Verdichtung des durch die rückgeführten heißen Abgase auf ein höheres Energieniveau gebrachten Luft-Brennstoff- Abgas-Gemischs wird schließlich dessen Selbstzündung im Bereich der oberen Zünd-Totpunktlage ZOT ausgelöst.
Zur Beeinflussung der Regelgrößen x: Beginn und Dauer oder Schwerpunkt der Verbrennung/Umsetzung der Ladung im Brennraum 20 werden vom Regelgerät 6 elektrische Signale an die elektromagne­ tischen Einlaß- und Auslaßventile 10, 12 ausgesteuert, um die Kurbel­ winkellage des Auslaßventil-Schließens AS bzw. des Einlaßventil- Öffnens EÖ innerhalb der oben genannten Kurbelwinkelbereiche zu höheren oder niedrigeren Kurbelwinkeln hin zu verschieben, wobei der Kurbelwinkelabstand zwischen Auslaßventil-Öffnen AÖ und Einlaßven­ til-Schließen ES vorzugsweise im wesentlichen konstant bleibt.
Das Auslaßventil-Schließen AS und Einlaßventil-Öffnen EÖ er­ folgt annähernd im selben Kurbelwinkel-Bereich. Idealerweise findet das Auslaßventil-Schließen AS und das Einlaßventil-Öffnen EÖ im we­ sentlichen im selben Zeitpunkt statt. Unter dem Schwerpunkt der Ver­ brennung wird der Zeitpunkt einer 50%-igen Umsetzung der einge­ spritzten Brennstoffmasse verstanden.

Claims (7)

1. Viertakt-Brennkraftmaschine (2) mit Kompressionszündung und innerer Abgasrückführung mittels geeigneter Ansteuerung von Einlaß- und Auslaßventilen (10, 12) wenigstens einer Zylinder-Kolbeneinheit (14), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einlaßventil (10) und wenigstens ein Auslaßventil (12) der Zylinder-Kolbeneinheit (14) derart ansteuerbar sind, daß das Auslaßventil-Öffnen (AÖ) vor einer zwischen einem Ausstoß- und einem Ansaugtakt liegenden oberen Ladungs­ wechsel-Totpunktlage (LWOT) eines Kolbens (16) und das Auslaßventil- Schließen (AS) nach dieser oberen Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einlaßventil-Öffnen (EÖ) stattfinden, um Abgas von einem Brennraum (20) der Zylinder- Kolbeneinheit (14) durch das geöffnete Auslaßventil (12) in einen Aus­ laßkanal (18) zu schieben und danach vom Auslaßkanal (18) wieder in den Brennraum (20) zurückzusaugen.
2. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß wenn die obere Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) durch einen Kurbelwinkel von 360 Grad definiert ist, die Einlaß- und Auslaß­ ventile (10, 12) folgende zu bevorzugende Steuerzeiten aufweisen:
  • a) Öffnen des Auslaßventils (12) in einem Kurbelwinkelbereich zwi­ schen 150 Grad und 180 Grad, vorzugsweise bei 165 Grad;
  • b) Schließen des Auslaßventils (12) und im wesentlichen gleichzeitiges Öffnen des Einlaßventils (10) in einem Kurbelwinkelbereich zwi­ schen 450 Grad und 540 Grad, vorzugsweise bei 470 Grad; und
  • c) Schließen des Einlaßventils (10) in einem Kurbelwinkelbereich zwi­ schen 540 und 630 Grad, vorzugsweise bei 560 Grad.
3. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) durch eine Steuer- und Regeleinrichtung (1) variabel ansteuerbare, vorzugsweise elektroma­ gnetische Ventile sind.
4. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) durch die Steuer- und Regeleinrichtung (1) derart ansteuerbar sind, daß in Abhängigkeit der Regelgrößen (x) bildenden Größen Beginn und Dauer oder Schwer­ punkt der Verbrennung/Umsetzung der Ladung während eines Zyklus­ ses als Stellgrößen (y) eine bestimmte Menge von Abgas in den Brenn­ raum (20) zurückführbar und eine bestimmte Temperatur des zurück­ geführten Abgases erzielbar ist, zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung für den jeweils nächsten Zy­ klus.
5. Verfahren zur Steuerung und Regelung des motorischen Prozesses ei­ ner Viertakt-Brennkraftmaschine (2) mit Kompressionszündung und in­ nerer Abgasrückführung durch geeignete Ansteuerung von Einlaß- und Auslaßventilen (10, 12), dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaß­ ventil-Öffnen (AÖ) vor einer zwischen einem Ausstoß- und einem An­ saugtakt liegenden oberen Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) eines Kolbens (16) und das Auslaßventil-Schließen (AS) nach dieser oberen Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einlaßventil-Öffnen (EÖ) stattfinden, um Abgas von einem Brenn­ raum (20) der Zylinder-Kolbeneinheit (14) durch das geöffnete Auslaß­ ventil (12) in einen Auslaßkanal (18) zu schieben und danach vom Auslaßkanal (18) wieder in den Brennraum (20) zurückzusaugen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenn die obere Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) durch einen Kurbelwinkel von 360 Grad definiert ist, zu bevorzugende Steuerzeiten der Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) wie folgt definiert sind
  • a) Auslaßventil-Öffnen (AÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 150 Grad und 180 Grad, vorzugsweise bei 165 Grad;
  • b) Auslaßventil-Schließen (AS) und im wesentlichen gleichzeitiges Einlaßventil-Öffnen (EÖ) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 450 Grad und 540 Grad, vorzugsweise bei 470 Grad; und
  • c) Einlaßventil-Schließen (ES) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 540 und 630 Grad, vorzugsweise bei 560 Grad.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) angesteuert werden, um in Abhängigkeit der Regelgrößen (x) bil­ denden Größen Beginn und Dauer oder Schwerpunkt der Verbren­ nung/Umsetzung der Ladung während eines Zyklusses als Stellgrößen (y) eine bestimmte Menge von Abgas in den Brennraum (20) zurück­ zuführen und um eine bestimmte Temperatur des zurückgeführten Ab­ gases zu erzielen, zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbren­ nung/Umsetzung der Ladung für den jeweils nächsten Zyklus.
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