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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bertreiben einer mit sowohl fremd- als auch selbstzündbarem Kraftstoff, insbesondere Benzin, betriebenen Brennkraftmaschine, wobei dem Motorbetriebsbereich ein Selbstzündungsbereich bei Teillast, in welchem ein im wesentlichen homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt und die Verbrennung durch Selbstzündung des KraftstoffLuftgemisches eingeleitet wird, und ein erster Fremdzündungsbereich bei höherer Motorlast und/oder bei Vollast zugeordnet wird, in welchem die Verbrennung durch Fremdzündung des Kraftstoff-Luftgemisches eingeleitet wird, sowie eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
Als fremd- als auch selbstzündbare Kraftstoffe sind hier Benzin und benzin- ähnliche Kraftstoffe wie Gase, aus Erdgas hergestellte flüssige Kohlenwasserstoffe, Alkohole und auch andere Gemische von Kohlenwasserstoffen zu verstehen.
Aus der Veröffentlichung ichung"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-Luftgemisches wegen der homogenen Konzentrations- und Temperaturverteilung äusserst niedrige Emissionswerte für NOx und Russ erzielt werden. Weiters ist bekannt, dass Dieselkraftstoff bei diesem Verbrennungsverfahren Schwierigkeiten bereitet, da der Zeitpunkt der Entflammung wegen seiner hohen Zündwilligkeit nur bei niedrigem Verdichtungsverhältnis und niedrigem effektivem Mitteldruck in erwünschter Weise kurz vor dem oberen Todpunkt fixiert werden kann.
Als weitere kraftstoffspezifische Schwierigkeit ist die für die Verdampfung und damit für die Homogenisierung der Zylinderladung hinderliche Lage des Siedebereichs zwischen etwa 1700C bis 360 C anzusehen, die zu hohen Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe führt und die Gefahr der Anreicherung von Dieselkraftstoff im Schmieröl mit sich bringt.
Benzin hat für das HCCI-Verfahren wegen seiner sehr niedrigen Selbstzündungswilligkeit und des niedriger liegenden Siedebereiches zwischen etwa 300C und 1900C grosse Vorteile. Allerdings ist auch hier der erreichbare effektive Mitteldruck in nachteiliger Weise auf den Teillastbereich beschränkt, wie aus der Ver- öffentlichung "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 Brennkraftmaschine bekannt, bei der zur Sicherstellung der Entflammung des Luft-
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Kraftstoffgemisches eine Ladungsschichtung erzeugt wird. Dieses SchichtladeBrennverfahren kann auch als SCSI-Verfahren (Stratified Charge Spark Ignition) bezeichnet werden. Mit dem Schichtladeprinzip wird erreicht, dass die Gemischzusammensetzung im Bereich der Zündquelle während des Funkenüberschlages lange genug innerhalb der Zündgrenzen liegt, um eine für das Weiterbrennen der Zylinderladung ausreichend grosse Flamme zu erzeugen.
Ein derartiges Schicht- lade-Brennverfahren mit Fremdzündung ist allerdings im Teillastbereich nicht so emissionsgünstig wie das HCCI-Verfahren, kann aber mit sehr viel höheren Mitteldrücken betrieben werden und ist bezüglich der Russemission besser als der Dieselmotor.
Die AT 003 135 U1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer mit sowohl fremd- als auch selbstzündbarem Kraftstoff insbesondere Benzin, betriebenen Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird.
Im Teillastbereich wird die Brennkraftmaschine nach dem HCCI-Verfahren und im Vollastbereich nach dem SCSI-Verfahren betrieben. Dadurch können die Vorteile des HCCI-Verfahrens mit denen des SCSI-Verfahrens vereinigt werden, um die Abgasqualität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu verbessern. Nachteilig ist, dass aufgrund von Partikel-und NOx-Emissionen bei höheren Lasten eine komplexe Abgasnachbehandlung notwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine für fremd-und sebstzündbarem Kraftstoff mit direkter Kraftstoffeinspritzung die Abgasqualität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass im ersten Fremdzündungsbereich ein im wesentlichen homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt wird. Somit wird bei höherer Teillast und bei Vollast ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch mit einer Luftzahl 1 fremdgezündet. Diese Betriebsart wird im folgenden als HCSI-Betrieb bezeichnet (. Homogenous Charge Spark Ignition). Dadurch ergibt sich der Vorteil einer hohen Leistungsausbeute, insbesondere bei Volllast. Mittels eines Dreiweg-Katalysator ist eine einfache konventionelle Abgasnachbehandlung möglich.
Der Nachteil eines schlechten effektiven Teillastwirkungsgrades wird dadurch verhindert, dass bei Teillast auf den HCCI-Betrieb im Selbstzündungsbereich umgeschaltet wird, bei welchem die Verbrennung des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches durch Selbstzündung eingeleitet wird. Im
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mittels eines einfachen Oxidationskatalysators notwendig ist.
Insbesondere bei Start und Warmiauf kann der HCSI-Betrieb im gesamtem Kennfeld des Motorbetriebs erfolgen.
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Um eine gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Kraftstoff im Selbstzündungsbereich und/oder im ersten Fremdzündungsbereich während der Saugphase, vorzugsweise etwa 3000 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zündung, eingespritzt wird. Im HCSIBetrieb erfolgt die Zündung des weitgehend homogenen Gemisches kurz vor oder nach dem oberen Totpunkt der Zündung.
Um im HCCI-Betrieb eine sichere Selbstzündung zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass ein kleiner Teil der Kraftstoffmenge kurz vor dem oberen Totpunkt der Zündung, vorzugsweise etwa 120 bis 0 , besonders vorzugsweise 90 bis 20 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zündung, eingespritzt wird, wodurch eine geringfügige Gemischinhomogenität entsteht.
Insbesondere im Teillastbereich lässt sich im HCSI-Betrieb durch Ladungsverdünnung mit Restgas eine Entdrosselung und Verbrauchsverbesserung erreichen.
Zur Steuerung des HCCI-Betriebes ist ebenfalls vorgesehen, dass im Selbstzündungsbereich eine Ladungsverdünnung, vorzugsweise durch rückgeführtes Abgas, durchgeführt wird.
Beste Verbräuche und Stabilität bei niedrigen Lasten und Leerlauf lässt sich erreichen, wenn dem Motorbetriebsbereich ein zweiter Fremdzündungsbereich beiim Vergleich zum Selbstzündungsbereich - niedrigerer Motorlast und/oder bei Leerlauf zugeordnet wird, in welchem eine Schichtiadung im Brennraum erzeugt und die Verbrennung nach dem SCSI-Verfahren durch Fremdzündung dieses Kraftstoff- Luftgemisches eingeleitet wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Einspritzung des Kraftstoffes während der Kompressionsphase, vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 1200 bis 00, besonders vorzugsweise zwischen etwa 900 bis 20 vor dem oberen Totpunkt der Zündung eingespritzt wird. Die entstehenden geringen Massenemissionen an NOx bei niedrigen Lasten sind nicht weiter relevant für die Gesamtemissionen.
Eine NOx-Reduktion lässt sich erreichen, wenn im zweiten Fremdzündungsbereich eine Ladungsverdünnung, vorzugsweise durch rückgeführtes Abgas, durchgeführt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine direkteinspritzende OttoBrennkraftmaschine mit oder ohne Aufladung mit einer zentralen Zündeinrichtung und einer seitlich versetzt in unmittelbarer Nähe der Zündeinrichtung angeordneten Einspritzeinrichtung zur Realisierung einer strahigeführten Ladungsschichtung wie sie etwa aus der österreichischen Gebrauchsmusteranmeldung GM 6 119/2000 der Anmelderin bekannt ist.
Bei einem an sich bekannten strahigeführten Brennverfahren wird der Einspritzstrahl nicht - wie bei wandgeführten Brennverfahren - auf die Brennraumwand oder dem Kolbenboden gerichtet, sondern es wird eine weitgehende Zerstäubung des Einspritzstrahles
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im Bereich der Zündeinrichtung angestrebt. Strahigeführte Brennverfahren haben gegenüber wandgeführten Brennverfahren den Vorteil, dass sich eine extreme Schichtungsfähigkeit realisieren lässt, was sich unmittelbar günstig auf den Kraftstoffverbrauch niederschlägt. Zudem kann eine hohe Schichtungsstabilität erreicht werden.
Zur Durchführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis zwischen 10 und 14, vorzugsweise zwischen 11 und 13 beträgt, wobei eine Einrichtung zur Veränderung des effektiven Verdichtungsverhältnisses vorgesehen ist, wobei besonders vorzugsweise die Einrichtung zur Veränderung des effektiven Verdichtungsverhältnisses durch eine variable Ventilsteuerungseinrichtung gebildet ist, mit welcher der Schliesszeitpunkt zumindest eines Einlassventiles veränderbar ist. Besonders günstig ist es, wenn mehrere Einlassventile pro Zylinder vorgesehen sind, deren Steuerzeiten sich variabel steuern lassen.
Um Verbrauch und Abgasqualität günstig zu beeinflussen, ist im Rahmen der Erfindung weiters eine Einrichtung zur Ladungsverdünnung vorgesehen, wobei vorzugsweise die Einrichtung zur Ladungsverdünnung durch eine interne-oder externe Abgasrückführung gebildet ist. Die interne Abgasrückführung kann dabei durch variable Auslasssteuerung erfolgen.
Die Erfindung wir im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Motorbetriebsdiagramm, in welchem das Motordrehmoment M über der Motordrehzahl n aufgetragen ist, und Fig. 2 eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens in einem Schnitt in einer die Zylinderachse beinhaltenden Motorquerebene.
Im in Fig. 1 dargestelltem Kennfeld ist die Motorlast beziehungsweise das Motordrehmoment M über der Motordrehzahl n aufgetragen. Dem Kennfeld sind die Bereiche HCCI, HCSI und SCSI eingezeichnet. Im Selbstzündungsbereich HCCI, welcher der niedrigen bis mittleren Teillast zugeordnet ist, wird ein homogenes Kraftstoff- Luftgemisch im Brennraum erzeugt und die Verbrennung durch Selbstzündung in Folge von Kompression beziehungsweise chemischer Reaktion im Bereich des oberen Totpunktes der Zündung eingeleitet. Die Steuerung des Zündungszeitpunktes erfolgt durch relativ starke Ladungsverdünnung und - Aufheizung durch heisses Restgas. Das transiente Verhalten im HCCI-Betrieb kann durch Doppeleinspritzung verbessert werden.
Um eine sichere Selbstzündung zu ermöglichen, kann bewusst eine geringfügige Gemischinhomogenität durch zusätzliche Einspritzung eines kleinen Teiles der Kraftstoffmenge kurz vor dem oberen Totpunkt der Zündung, beispielsweise 1200 bis 00, vorzugsweise 900 bis 200 vor dem oberen Totpunkt der Zündung, eingespritzt werden.
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Im ersten Fremdzündungsbereich HCSI wird im Brennraum ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt und die Verbrennung des stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisches durch einen Zündfunken kurz vor oder nach dem oberen Totpunkt der Zündung eingeleitet. Der HCSI-Betrieb eignet sich im warmen Zustand für hohe Teillast und für Vollast. Während des Startbetriebes und des Warmlaufbetriebes kann das HCSI-Verfahren im gesamten Kennfeld durchgeführt werden.
Im durch die strichlierte Linie a in Fig. 1 angedeuteten Grenzbereich AGR zum Selbstzündungsbereich HCCI kann im ersten Fremdzündungsbereich HCSI im Bereich der Teillast eine Ladungsverdünnung durch Restgas mittels Abgasrückführung durchgeführt werden, wodurch eine Entdrosselung und weitere Verbrauchsverbesserung möglich ist.
Um eine gute Homogenisierung im ersten Fremdzündungsbereich HCSI und im Selbstzündungsbereich HCCI zu erreichen erfolgt die Einspritzung in den Zylinder während der Saugphase, beispielsweise etwa 3000 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zündung.
Besonders niedrige Verbräuche und eine hohe Verbrennungsqualität lässt sich erreichen, indem die Brennkraftmaschine bei niedrigen Lasten und bei Leerlauf nach dem SCSI-Verfahren betrieben wird. In dem Fig. 1 eingetragenen zweiten Selbstzündungsbereich SCSI wird mittels strahigeführtem Schichtverfahren eine geschichtete Ladung im Brennraum mit buzz erzeugt, wobei die Einspritzung in den Zylinder während der Kompressionsphase erfolgt. Alternativ kann im SCSIBetrieb eine Ladungsverdünnung mit Restgas durchgeführt werden, wodurch sich die Emissionen an NOx verringern lassen.
Das Verfahren lässt sich mit der schematisch in Fig. 2 dargestellten Brennkraftmaschine durchführen. Die Brennkraftmaschine weist ein Zylindergehäuse 1 mit zumindest einem in einem Zylinder 2 hin-und hergehenden Kolben 3 auf. Die Zylinderachse ist mit la bezeichnet. In einem am Zylindergehäuse 1 befestigten Zylinderkopf 4 ist eine Zündeinrichtung 5 und eine Einspritzeinrichtung 6 angeordnet. Zwischen der Achse 5a der Zündeinrichtung 5 und der Strahlachse 6a der Einspritzeinrichtung 6 wird ein Winkel a von etwa 10 bis 650 aufgespannt. Die Strahlachse 6a der Einspritzeinrichtung 6 schliesst mit der Zylinderkopfdichtebene 7 einen Winkel y von etwa 350 bis 80 ein.
Die Einspritzeinrichtung 6 ist auf der Einlassseite E im Zylinderkopf 4 angeordnet. Die Auslassseite ist mit A bezeichnet. Der Abstand Z zwischen der Mündung 6b der Einspritzeinrichtung 6 und dem Zündort Sb beträgt vorteilhafterweise etwa 0, 1 bis 0, 24 mal dem Kolbendurchmesser D. Diese Anordnung ermöglicht ein strahigeführtes Brennverfahren mit einer besonders hohen Schich-
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tungsfähigkeit und einer besonders hohen Standzeit der Einspritzeinrichtung 6.
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Mittels der Einspritzeinrichtung 6 wird der Kraftstoff in den Brennraum 12 eingespritzt. Während des HCSI-Betriebes und des HCCI-Betriebes erfolgt die Einspritzung während der Saugphase, so dass sich im Brennraum 12 ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch ausbilden kann. Im SCSI-Betrieb wird der Kraftstoff während der Kompressionsphase eingespritzt.
Durch die unmittelbare Nähe der Mündung 6b der Einspritzeinrichtung 6 zum Zündort 5b der Zündeinrichtung 5 erreicht die Gemischwolke in kürzester Zeit den Zündort 5b.
Im hochdynamischen Betrieb können Betriebspunkte des Bereiches HCCI im Kennfeld vereinzelt auch im HCSI-Betrieb beziehungsweise im SCSI-Betrieb angefahren beziehungsweise durchfahren werden, wie in Fig. 1 durch die strichpunktierte Linie b angedeutet ist. Durch das Durchführen des Bereiches HCCI ohne Umschalten auf den HCCI-Betrieb wird ein Umschaltvorgang eingespart.
Das Gesamtsystem garantiert besten Kraftstoffverbrauch, speziell im Bereich der Teillast bei niedrigsten Emissionen ohne komplexe Abgasnachbehandlung, sowie nur geringe Emissionsverschlechterung über die Fahrzeuglebensdauer aufgrund niedrigster Rohemissionen.