AT5295U1

AT5295U1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT5295U1
Application number: AT0092400U
Authority: AT
Inventors: Dirk Dipl Ing Denger; Alois Dipl Ing Fuerhapter
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2002-05-27
Also published as: DE10161551B4; US6615771B2; DE10161551A1; US20020073939A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit sowohl fremd- als auch selbstzündbaren Kraftstoff, insbesondere Benzin, betriebenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, wobei dem Motorbetriebsbereich Selbst- und Fremdzündungsbereiche (CI, SI) zugeordnet werden, in Selbstzündungsbereichen (CI) ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt wird, ein für eine Selbstzündung des Kraftstoffes geeignetes hohes Verdichtungsverhältnis bereitgestellt wird und die Verbrennung im Selbstzündungsbereich (CI) überwiegend durch Selbstzündung erfolgt, und wobei in Fremdzündungsbereichen (SI) die Verbrennung durch Fremdzündung dieses Luft-Kraftstoffgemisches eingeleitet wird, und wobei ein Fremdzündungsbereich (SI) dem Volllastbereich (VL) und ein Selbstzündungsbereich (CI) zumindest einem Teil des Teillastbereiches (TL) zugeorndet wird, und wobei das effektive Verdichtungsverhältnis in Fremdzündungsbereichen (SI) abgesenkt und in Selbstzündungsbereichen (CI) die Verbrennung durch Einstellung des Restgasgehaltes gesteuert wird. Um auf möglichst einfache Weise bei hohem Wirkungsgrad die Abgasqualität zu verbessern ist vorgesehen, daß dem Motorbetriebsbereich Zweitakt- und Viertaktbetriebsbereiche (SI`2, CI`2, SI`4, CI`4 ) zugeordnet werden und die Brennkraftmaschine in Zweitaktbetriebsbereichen (SI`2, CI`2 ) nach dem Zweitakt-Verfahren und in Viertaktbetriebsbereichen (SI`4, CI`4 ) nach dem Viertakt-Verfahren betrieben wird.

Description


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  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit sowohl fremd- als auch selbstzündbaren Kraftstoff, insbesondere Benzin, betriebenen direktein- spritzenden Brennkraftmaschine, wobei dem Motorbetriebsbereich Selbst- und Fremdzündungsbereiche zugeordnet werden, in Selbstzündungsbereichen ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt wird, ein für eine Selbstzündung des Kraftstoffes geeignetes hohes Verdichtungs- verhältnis bereitgestellt wird und die Verbrennung im Selbstzündungsbereich überwiegend durch Selbstzündung erfolgt, und wobei in Fremdzündungsberei- chen die Verbrennung durch Fremdzündung dieses Luft-Kraftstoffgemisches ein- geleitet wird, und wobei ein Fremdzündungsbereich dem Volllastbereich und ein Selbstzündungsbereich zumindest einem Teil des Teillastbereiches zugeordnet wird,

   und wobei das effektive Verdichtungsverhältnis in Fremdzündungsbereichen abgesenkt und in Selbstzündungsbereichen die Verbrennung durch Einstellung des Restgasgehaltes gesteuert wird. 



  Aus der Veröffentlichung "Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) of Diesel Fuel", Allen W. Gray et al., SAE 971676, ist es bekannt, dass bei der Verbrennung eines durch Selbstzündung entflammten mageren Kraftstoff-Luft- gemisches wegen der homogenen Konzentrations- und Temperaturverteilung äusserst niedrige Emissionswerte für NOx und Russ erzielt werden. Dieses Verfah- ren wird im englischen Sprachraum als HCCI-Verfahren (Homogeneous Charge Compression Ignition) bezeichnet. Weiters ist bekannt, dass Dieselkraftstoff bei diesem Verbrennungsverfahren Schwierigkeiten bereitet, da der Zeitpunkt der Entflammung wegen seiner hohen Zündwilligkeit nur bei niedrigem Verdich- tungsverhältnis und niedrigem effektivem Mitteldruck in erwünschter Weise kurz vor dem oberen Totpunkt fixiert werden kann.

   Das erforderliche niedrige Ver- dichtungsverhältnis von etwa 10 führt zu erheblichen Nachteilen hinsichtlich des spezifischen Kraftstoffverbrauches und der erreichbaren Leistungsausbeute ge- genüber dem konventionellen Dieselverfahren, die die breite Nutzung dieses an sich sehr emissionsgünstigen Verbrennungsverfahren bisher verhindert haben. 



  Als weitere dieselkraftstoffspezifische Schwierigkeit ist die für die Verdampfung und damit für die Homogenisierung der Zylinderladung hinderliche Lage des Sie- debereichs zwischen etwa 170 C bis 360 C anzusehen, die zu hohen Emissionen von NOx, Russ und unverbrannten Kohlenwasserstoffen führen kann und die Ge- fahr der Anreicherung von Dieselkraftstoff im Schmieröl mit sich bringt. 



  Benzin hat für das HCCI-Verfahren wegen seiner sehr niedrigen Selbstzündungs- willigkeit und des niedriger liegenden Siedebereiches zwischen etwa 30 C und 
190 C grosse Vorteile. Das Verdichtungsverhältnis kann hier, ähnlich wie beim Dieselmotor, auf Werte von etwa 15 bis 17 angehoben werden. Allerdings ist 

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 auch hier der erreichbare effektive Mitteldruck in nachteiliger Weise auf den Teillastbereich beschränkt, wie aus der Veröffentlichung "An Experimental Study on Premixed-Charge Compression Ignition Gasoline Engine", Taro Aoyama et al., SAE 960081, hervorgeht. 



  Weiters ist aus der DE 36 32 579 C2 eine fremdgezündete, luftverdichtende, mit dieselmotorähnlich hohem Verdichtungsverhältnis arbeitende Brennkraftma- schine bekannt, bei der zur Sicherstellung der Entflammung des Luft-Kraftstoff- gemisches eine Ladungsschichtung erzeugt wird. Dieses Schichtlade-Brennver- fahren kann auch als SCSI-Verfahren (Stratified Charge Spark Ignition) bezeich- net werden. Mit dem Schichtladeprinzip wird erreicht, dass die Gemischzusam- mensetzung im Bereich der Zündquelle während des Funkenüberschlages lange genug innerhalb der Zündgrenzen liegt, um eine für das Weiterbrennen der Zy- linderladung ausreichend grosse Flamme zu erzeugen.

   Ein derartiges Schichtlade- Brennverfahren mit Fremdzündung ist allerdings im Teillastbereich nicht so emis- sionsgünstig wie das HCCI-Verfahren, kann aber mit sehr viel höheren Mittel- drücken betrieben werden und ist bezüglich der Russemission besser als der Die- selmotor. 



  Aus der DE 28 51 504 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftma- schine mit variablem Verdichtungsverhältnis bekannt, wobei die Brennkraftma- schine mit einer Kraftstoffsorte fremdgezündet und selbstgezündet betrieben wird. Bei dieser Brennkraftmaschine wird im Teillastbereich das Verdichtungsver- hältnis zur Durchführung einer Selbstzündung vergrössert und im Vollastbereich für einen Fremdzündungsbetrieb verkleinert. Über eine in den Hauptbrennraum oder in eine Vorkammer mündende Einspritzdüse wird Kraftstoff für den Diesel- betrieb zugeführt, wodurch ein inhomogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brenn- raum entsteht. Es liegt somit kein HCCI-Betrieb vor.

   Die Zuführung des Kraft- stoffes für den Fremdzündungsbetrieb erfolgt in einer Ausführung über einen Vergaser und in einer anderen Ausführung über eine in einen Nebenbrennraum mündende weitere Einspritzdüse. Die Verbrennung wird im Fremdzündungsbe- trieb über eine in den Nebenbrennraum mündende Zündkerze eingeleitet. Bei 
Fremdzündung mit Kraftstoffeinspritzung und Luftansaugung im Vollastbetrieb liegt eine Ladungskonzentration im Nebenbrennraum relativ zum Hauptbrenn- raum vor. Das bekannte Verfahren erlaubt ein stabiles Betriebsverhalten und ei- nen guten Wirkungsgrad. Die vom HCCI-Verfahren bekannten extrem niedrigen 
Emissionswerte können aber nicht erreicht werden. 



   Auch die US 4,126,106 A beschreibt eine Brennkraftmaschine, die sowohl nach dem Otto-, als auch nach dem Dieselverfahren betreibbar ist. Dabei wird wäh- rend der Startphase und des Teillastbetriebes unter direkter Kraftstoffeinsprit- zung in den Brennraum eine Schichtladung erzeugt und die Verbrennung durch 

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 Fremdzündung dieser geschichteten Ladung eingeleitet. Bei Volllast hingegen wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum gegen die heissen Brennraumwände gespritzt, wobei der Kraftstoff verdampft und die Zündung durch Kompression nach dem Dieselverfahren erfolgt. Der Motor wird dabei bei einem Verdichtungs- verhältnis von weniger als 16:1 betrieben.

   Bei höherer Motorlast reicht allerdings die Zeit zwischen Einspritzbeginn und dem Zeitpunkt der Selbstzündung für eine gute Gemischaufbereitung nicht mehr aus, weshalb es zu einer Verschlechterung des Verbrennungsablaufes und der Emissionen kommt. 



  Ferner ist aus der US 3,125,079 A eine Vielzweck-Brennkraftmaschine bekannt, welche sowohl selbstzündend, als auch fremdzündend mit einem festen Verdich- tungsverhältnis von 15:1 betreibbar ist. Der Kraftstoff wird dabei über eine Vielstrahl-Einspritzdüse direkt radial in den Brennraum eingespritzt. Dies ist zur Erzeugung eines hohen Ladungsschichtungsgrades nicht geeignet. 



  Um bei einer Brennkraftmaschine für fremd- und selbstzündbarem Kraftstoff die Abgasqualität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu verbessern, wird in der AT 003135 U vorgeschlagen, im Selbstzündungsbereich ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum zu erzeugen. Dieses Verfahren weist die Vorteile des HCCI-Verfahrens auf und vermeidet durch die Umschaltung auf Fremdzündung dessen Nachteile bei hoher Motorlast. Das Verfahren vereinigt somit die Vorteile des HCCI-Verfahrens mit dem des SCSI-Verfahrens. Um im Teillastbereich ein höheres Verdichtungsverhältnis einstellen zu können als im Volllastbereich, ist eine variable Ventilsteuerungseinrichtung vorgesehen, mit welcher der Öffnungszeitpunkt zumindest eines Einlassventiles veränderbar ist. 



  Durch die variable Ventilsteuerungseinrichtung wird auch der Schliesszeitpunkt zumindest eines Auslassventiles in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern verändert, um die Menge des Restgases im Sinne einer inneren Abgasrück- führung zur Anhebung der Ladungstemperatur im Teillastbereich steuern zu kön- nen. 



  Eine HCCI-Brennkraftmaschine muss ihre Zündbedingungen zyklustreu auf un- terschiedliche Kraftstoffeigenschaften, Umgebungsbedingungen und motorische Randbedingungen einstellen. Eine nach dem Viertakt-Verfahren arbeitende HCCI- Brennkraftmaschine hat darüber hinaus den Nachteil, dass zur Erzielung der Selbstzündbedingungen ein hohes Verdichtungsverhältnis erforderlich ist, was im Volllastbereich zu Nachteilen führt. Andererseits weist eine nach dem Zweitakt- Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine einen geringeren Fülligkeitsgrad auf als eine Viertakt-Brennkraftmaschine. 



  Brennkraftmaschinen, welche sowohl nach dem Zweitakt-Verfahren als auch nach dem Viertakt-Verfahren arbeiten können, sind bekannt, allerdings nicht in Zusammenhang mit HCCI-Verfahren. Die US 4,907,544 A beschreibt beispiels- 

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 weise eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, welche im Leerlauf nach dem Viertakt- Verfahren arbeitet. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und bei ei- ner direkt einspritzenden Brennkraftmaschine für fremd- und selbstzündbarem Kraftstoff eine hohe Abgasqualität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu errei- chen. 



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass dem Motorbetriebsbereich Zweitakt- und Viertaktbetriebsbereiche zugeordnet werden und die Brennkraft- maschine in Zweitaktbetriebsbereichen nach dem Zweitakt-Verfahren und in Viertaktbetriebsbereichen nach dem Viertakt-Verfahren betrieben wird. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein Zweitakt-Betriebsbereich einem Selbstzün- dungsbereich zwischen niedriger und mittlerer Motordrehzahl zugeordnet wird. 



  Weiters ist vorgesehen, dass ein Zweitakt-Betriebsbereich einem Fremdzün- dungsbereich bei Volllast zwischen niedriger und mittlerer Motordrehzahl zuge- ordnet wird. 



  Die Viertakt-Betriebsbereiche werden dem Selbstzündungsbereich und dem Fremdzündungsbereich bei Volllast ab einer mittleren Motordrehzahl zugeordnet. 



  Weiters ist es zur Erzielung eines guten Startverhaltens vorteilhaft, wenn ein Viertaktbetriebsbereich dem Kaltstart- und Warmlaufbereich zugeordnet wird. 



  Dies führt in der Start- und Warmlaufphase zu zusätzlicher Verbrauchsabsenkung und Emissionsminimierung. 



  Durch Kombination der nach dem HCCI-Verfahren arbeitenden Brennkraftma- schine mit einem voll variablen Ventiltrieb wird eine Absenkung des effektiven Verdichtungsverhältnisses und eine zyklustreue Restgassteuerung für die Selbst- zündbedingungen ermöglicht. Die Einstellung des effektiven Verdichtungsver- hältnisses kann dabei durch vorzugsweise mechanische Verstellung des geomet- rischen Verdichtungsverhältnisses und/oder mittels einer variablen Ventilsteu- erungseinrichtung erfolgen. Das niedrige Verdichtungsverhältnis erhöht gleich- zeitig das Volllastpotential, wodurch Auslegungsreserven in der Motorenentwick- lung bestehen.

   Ausserhalb des Selbstzündungsbereiches, in welchem kein HCCI- 
Betrieb möglich oder sinnvoll ist, wird die Brennkraftmaschine als direkt einsprit- zender Ottomotor mit voll variablem Ventiltrieb und Aufladung mit einem Luft-   kraftstoffverhältnis # s   1 betrieben. Die zyklustreue Steuerung der Selbstzünd- bedingungen durch den voll variablen Ventiltrieb ermöglicht eine optimale zyk- lussynchrone Einstellung des Motors auf Kraftstoffeigenschaften, Umgebungsbe- dingungen und motorischer Randbedingungen. Bei Volllast kann durch den voll variablen Ventiltrieb des aufgeladenen Motors zusätzlich das Volllastpotential ge- genüber konventionell aufgeladenen Motoren durch die Volllast optimale Steu- erung der Ventilsteuerzeiten und Verlustleistungen erhöht werden.

   Dabei ist ins- 

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 besondere im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass ein Vier- taktbetriebsbereich einem mitteldruckunabhängigen Fremdzündungsbereich bei höchster Motordrehzahl zugeordnet wird. 



  Mit dem voll variablen Ventiltrieb lässt sich insbesondere eine zyklustreue Wahl der Steuerzeiten, der Ventilhübe sowie eine variable Flankenfunktion der Ventil- erhebungskurven erreichen. Dies ermöglicht beispielsweise eine Enddrosselung und eine Hochdruckwirkungsgradsteigerung im Viertaktbetriebsbereich. Zur La- dungsbewegungsgenerierung kann mit dem voll variablen Ventiltrieb eine Ventil- deaktivierung durchgeführt werden. Darüber hinaus kann zur Verringerung der Verlustleistung und zur Absenkung der Ladungswechselverluste sowie zur Hoch- druckwirkungsgradsteigerung eine Zylinderabschaltung erfolgen. Die variable Ventilsteuerung ermöglicht die Absenkung des effektiven Verdichtungsverhältnis- ses und somit eine Anhebung des Volllastpotentiales. Zur Anhebung des Volllast- potentiales trägt auch die mögliche Minimierung des internen Restgasgehaltes bei. 



  Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein Diagramm, in welchem der mittlere effektive Druck für ein pe über der Motor- drehzahl n aufgetragen ist. 



  Im Diagramm sind Selbstzündungsbereiche CI und Fremdzündungsbereiche SI angegeben. Der Selbstzündungsbereich CI, der im Wesentlichen dem Teillastbe- reich TL bei niedriger, mittlerer und hoher Drehzahl zugeordnet ist, ist in einem Zweltaktbetriebsbereich SI2 bei niedriger Motordrehzahl n und einem Viertaktbe- triebsbereich SI4 bei höherer Motordrehzahl n - etwa ab einer mittleren Motor- drehzahl nM - unterteilt. Der Fremdzündungsbereich SI ist dem Volllastbereich VL und dem Höchstdrehzahlbereich nH sowie dem Kaltstart- und Warmlaufbereich KL zugeordnet. Der Fremdzündungsbereich SI ist dabei unterteilt in Zweitaktbe- triebsbereiche SI2 bei hohem effektiven Mitteldruck pe und niedriger Motordreh- zahl n und in Viertaktbetriebsbereiche SI4 im restlichen Volllastbereich VL, im Höchstdrehzahlbereich nH und im Kaltstart- und Warmlaufbereich KL.

   Zwischen jeweils benachbarten Bereichen können im Kennfeld Überlappungen bestehen, was mit schraffierten Linien angedeutet ist. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren vereint die Vorzüge einer nach dem HCCI-Ver- fahren arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer Brennkraftmaschine mit voll variablem Ventiltrieb mit Aufladung. Dadurch können einerseits in Selbstzün- dungsbereichen CI als auch in Fremdzündungsbereichen SI, in welchen ebenfalls ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt wird, minimale Abgasemissionen bei hohem Luftüberschuss erreicht werden. Dadurch entfällt eine komplizierte 
Abgasnachbehandlung, wie sie bei konventionellen direkt einspritzenden Otto- 
Brennkraftmaschinen erforderlich ist und es kann ein einfacher Oxidationskataly- 

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 sator eingesetzt werden.

   Durch die Umschaltung zwischen Zweitakt- und Vier- takt-Verfahren werden die Vorzüge dieser Verfahren bei den jeweiligen Betriebs- bedingungen ausgenützt, ohne dass deren Nachteile in anderen Betriebsbereichen in Kauf genommen werden müssen.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Betreiben einer mit sowohl fremd- als auch selbstzündbaren Kraftstoff, insbesondere Benzin, betriebenen direkteinspritzenden Brenn- kraftmaschine, wobei dem Motorbetriebsbereich Selbst- und Fremdzün- dungsbereiche (CI, SI) zugeordnet werden, in Selbstzündungsbereichen (CI) ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt wird, ein für eine Selbstzündung des Kraftstoffes geeig- netes hohes Verdichtungsverhältnis bereitgestellt wird und die Verbrennung im Selbstzündungsbereich (CI) überwiegend durch Selbstzündung erfolgt, und wobei in Fremdzündungsbereichen (SI) die Verbrennung durch Fremd- zündung dieses Luft-Kraftstoffgemisches eingeleitet wird, und wobei ein Fremdzündungsbereich (SI) dem Volllastbereich (VL) und ein Selbstzün- dungsbereich (CI) zumindest einem Teil des Teillastbereiches (TL)

zugeord- net wird, und wobei das effektive Verdichtungsverhältnis in Fremdzün- dungsbereichen (SI) abgesenkt und in Selbstzündungsbereichen (CI) die Verbrennung durch Einstellung des Restgasgehaltes gesteuert wird, da- durch gekennzeichnet, dass dem Motorbetriebsbereich Zweitakt- und Viertaktbetriebsbereiche (SI@ CI2 SI4 CI4) zugeordnet werden und die Brennkraftmaschine in Zweitaktbetriebsbereichen (SI2 CI2) nach dem Zweitakt-Verfahren und in Viertaktbetriebsbereichen (SI4 CI4) nach dem Viertakt-Verfahren betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstel- lung des effektiven Verdichtungsverhältnisses durch vorzugsweise mechani- sche Verstellung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zweitakt-Betriebsbereich (CI2) einem Selbstzündungsbereich (CI) zwischen niedriger und mittlerer Motordrehzahl (nM) zugeordnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zweitakt-Betriebsbereich (SI2) einem Fremdzündungsbereich (SI) bei Volllast (VL) zwischen niedriger und mittlerer Motordrehzahl (nM) zuge- ordnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Viertaktbetriebsbereich (CI4) einem Selbstzündungsbereich (CI) bei und oberhalb der mittleren Motordrehzahl (nM) zugeordnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Viertaktbetriebsbereich (SI4) einem Fremdzündungsbereich (SI) bei <Desc/Clms Page number 8> Volllast (VL) bei und oberhalb der mittleren Motordrehzahl (nM) zugeordnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Kaltstart- und Warmlaufbereich (KL) einem Fremdzündungsbereich (SI) zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Viertaktbetriebsbereich (SI4) dem Kaltstart- und Warmlaufbereich (KL) zugeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Viertaktbetriebsbereich (SI4) einem mitteldruckunabhängigen Fremdzündungsbereich (SI) bei höchster Motordrehzahl (nH) zugeordnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in Selbstzündungsbereichen (CI) und/oder in Fremdzündungsbereichen (SI) aufgeladen betrieben wird.