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Dokumentenidentifikation DE69925502T2 02.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001133625
Titel VERFAHREN ZUR REGELUNG DER VERBRENNUNG IN EINER BRENNKRAFTMASCHINE UND MOTOR MIT VORRICHTUNG ZUR REGELUNG DER GASWECHSELVENTILE
Anmelder AB Volvo, Göteborg, SE
Erfinder DENBRATT, Ingemar, S-429 33 Kullavik, SE
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69925502
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.10.1999
EP-Aktenzeichen 999718935
WO-Anmeldetag 26.10.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/SE99/01928
WO-Veröffentlichungsnummer 0000028197
WO-Veröffentlichungsdatum 18.05.2000
EP-Offenlegungsdatum 19.09.2001
EP date of grant 25.05.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.02.2006
IPC-Hauptklasse F02B 11/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse F01L 9/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      F02D 41/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      F02D 43/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer in einem Viertakt-Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil besitzt, umfassend die Zufuhr eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Brennkammer und eine Verdichtung des Gemisches zur Selbstzündung.

Die Erfindung bezieht sich ebenso auf einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil und ein Auslassventil, Mittel zum Zuführen eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Zylinderbrennkammer und Steuermittel zumindest zum Variieren des Öffnungsgrades des Auslassventils besitzt.

Bei einer Verdichtungszündung eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches, einer sogenannten HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition – Verdichtungszündung mit homogener Ladung) in einem Viertakt-Verbrennungsmotor, wird ein homogenes verdünntes (mit zusätzlicher Luft oder Restgas) Kraftstoff-/Luftgemisch zur Selbstzündung verdichtet. Der Vorteil hiervon verglichen mit einem anfänglichen Verdichten der Einlassluft und einem anschließenden Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer (Dieselverfahren) besteht darin, dass das gesamte Kraftstoff-/Luftgemisch gleichzeitig verbrennt und nicht sukzessive, wie wenn eine Flammenfront durch die Brennkammer ausgehend von einer Zündkerze oder einem Injektor fortschreitet. Dies erzeugt eine homogene Temperatur in der Brennkammer, was wiederum ermöglicht, beispielsweise in einem ungedrosselten Otto-Motor unter Teillast, die Effizienz des Dieselmotors zu erzielen, jedoch ohne die hohen Stickoxyd- und Partikelemissionen des Dieselmotors. Die Stickstoffemissionen können von etwa 1000 ppm auf bis zu 10-20 ppm vermindert werden. Die Partikelemissionen des Dieselmotors können auf dasselbe Niveau wie diejenigen des Otto-Motors vermindert werden. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, die Verbrennung zu steuern, da sie kinetisch gesteuert wird. Falls die Mischung zu fett ist, wird die Energiefreisetzung zu schnell sein (klopfen), und falls sie zu mager ist, wird die Zündung unmöglich gemacht werden. In einem HCCI-Otto-Motor mit Benzin als Kraftstoff ist eine hohe und gesteuerte Temperatur erforderlich, um eine Selbstzündung zu erzielen, und dies kann mit einem hohen Verdichtungsverhältnis und/oder durch Erwärmen der Einlassluft erzielt werden. In einem HCCI-Dieselmotor mit Dieselöl als Kraftstoff, sind niedrigere Temperaturen als bei einem normalen Dieselmotor erforderlich, was bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis abgesenkt werden muss.

Die bisherige Schwierigkeit bei HCCI-Motoren bestand darin, die Zündungsverzögerung (die Zylindertemperatur) auf solche Weise zu steuern, dass die Verbrennung korrekt oberhalb des oberen Totpunkts bei verschiedenen Drehzahlen und Lasten positioniert ist, und dies hat den Einsatzbereich solcher Motoren stark vermindert. Insbesondere Steuerprobleme während Übergängen, bei denen die Zylindertemperatur von einem Zyklus zum nächsten überprüft werden muss, haben den Einsatzbereich von HCCI-Motoren auf Generatoren, beispielsweise, wenn die Antriebseinheit mit sehr geringen Variationen der Drehzahl und der Last arbeitet, begrenzt.

WO 98/07973 A offenbart das Steuern des Verbrennungsvorgangs eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder, der ein Einlassventil und ein Auslassventil besitzt, durch Zuführen eines homogenen Kraft-/Luftgemisches zu der Brennkammer und Verdichtung des Gemisches zur Selbstzündung, wobei das Einlassventil und das Auslassventil während des Auslasshubes des Kolbens variabel gesteuert werden, um den Verdünnungsgrad des Kraftstoff-/Luftgemisches mit Restgasen in der Brennkammer derart zu variieren, um die Temperatur zu steuern, um hierdurch die Zündungsverzögerung durch Variieren des Verdünnungsgrades des Kraftstoff-/Luftgemisches mit Restgasen in der Brennkammer zu verzögern; bei hoher Last wird dieser Motor zu Funkenzündung umgeschaltet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern der Temperatur in den Zylindern in einem HCCI-Motor bereitzustellen, so dass der Zündungszeitpunkt bei verschiedenen Motordrehzahlen und -Lasten korrekt sein wird, wodurch es praktisch möglich gemacht wird, HCCI-Motoren in Motorfahrzeugen einzusetzen, wodurch ihr Kraftstoffverbrauch und ihre Emissionen vermindert werden. Dies wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und Anspruch 7 erzielt.

Mittels der Tatsache, dass das Auslassventil während des Auslasshubes des Kolbens derart gesteuert wird, dass es zumindest innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs schließt, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, wobei der Öffnungsgrad des Ventils in Abhängigkeit von der Motorlast und -Drehzahl derart variiert wird, dass die Restgasmenge beim Schließen des Ventils bei niedrigen Lasten und hoher Drehzahl größer ist als bei hohen Lasten und niedriger Drehzahl, und der Zündungsverzug wird durch Variieren des Verdünnungsgrades des Kraftstoff-/Luftgemisches mit Restgasen in der Brennkammer variiert.

Eine vollständige Freiheit der Ventilsteuerung, so dass die Öffnungs- und Schließzeiten ebenso frei von Zyklus zu Zyklus gesteuert werden können, kann durch Einsatz elektromagnetisch betätigter Ventile erzielt werden. Die Restgasmenge, welche die Temperatur in der Brennkammer und somit den Zündungszeitpunkt bestimmt, kann auf diese Weise innerhalb eines breiten Intervalls reguliert werden, innerhalb dessen die Temperatur ansteigt, je früher das Auslassventil geschlossen wird.

Um einen Anstieg der Motorpumpenarbeit (Pumpenverluste) zu verhindern, wird gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung das Einlassventil während des Einlasshubes des Kolbens derart gesteuert, dass es zumindest innerhalb des unteren Drehzahlbereichs bei einer bestimmten Anzahl von Kurbelwellengraden nach dem oberen Totpunkt des Kolbens öffnet, wobei der Öffnungswinkel in Bezug auf den Öffnungswinkel des Auslassventils variiert wird, um den Restgasdruck in der Brennkammer auf den Einlassluftdruck zu vermindern.

Ein HCCI-Motor, der in der Lage sein muss, innerhalb eines breiten Drehzahlbereichs zu arbeiten, zum Beispiel mit einer oberen Grenze von etwa 6000 U/min, ist bevorzugt mit einem Zündungssystem ausgestattet, das derart gesteuert wird, dass es innerhalb des unteren Drehzahlbereichs deaktiviert wird, dessen obere Grenze zwischen 3000 und 4000 U/min liegen kann. Wenn diese Grenze überschritten wird, wird das Zündungssystem aktiviert, während gleichzeitig die Steuerung der Auslass- und Einlassventile auf einen normalen Motorbetrieb verändert wird, d.h. das Auslassventil wird derart gesteuert, dass es schließt, nachdem der Kolben während des Auslasshubes seinen oberen Totpunkt erreicht hat, und gleichzeitig wird das Einlassventil derart gesteuert, dass es beginnt zu öffnen, bevor das Auslassventil vollständig geschlossen ist. Dasselbe trifft auf hohe Lasten und niedrige Drehzahlen zu, da andernfalls die Verbrennungsrate bei einer Verminderung des Verdünnungsgrades zu hoch sein wird.

Ein Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Art, der auf die oben beschriebene Weise zu steuern ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel derart angeordnet sind, um das Auslassventil während des Auslasshubes des Kolbens derart zu steuern, dass das Ventil zumindest innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs schließt, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, und dass der Öffnungsgrad des Ventils in Abhängigkeit von der Motorlast und -Drehzahl derart variiert wird, dass die Restgasmenge in der Brennkammer beim Schließen des Ventils bei niedrigen Lasten und hoher Drehzahl größer ist als bei hohen Lasten und niedriger Drehzahl.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei die 1-4 schematisch einen Zylinder mit zugehörigen Kolben in einem Viertakt-Verbrennungsmotor zeigt, und 5-7 zeigen verschiedene Ventilsteuerdiagramme.

In 1 bezeichnet 1 einen Zylinder in dem Motorblock eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der in dem gezeigten Beispiel ein Otto-Motor ist, welcher eine Zündkerze 2 besitzt, die in die Brennkammer 3 hervorsteht. Der Zylinder 1 besitzt einen Kolben 4, der über eine Pleuelstange 5 mit einer Kurbel 6 der Kurbelwelle 7 verbunden ist. Die Brennkammer 3 besitzt ein Einlass 8 für die Zufuhr eines Kraftstoff-/Luftgemisches. Ein Einlassventil 9 ist in der Einlassöffnung der Brennkammer angeordnet. Ein Auslassventil (nicht gezeigt) ist in einer Auslassöffnung zu der Abgasleitung angeordnet.

Das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 9 und 11 wird elektromagnetisch mit Hilfe der elektromagnetischen Geräte 12 bzw. 13 gesteuert. Die Ventile können von einer an sich bekannten Art sein, mit einer Ventilspindel, die mit einer zwischen zwei Elektromagneten gelegenen Metallscheibe verbunden ist. Die Elektromagneten werden abwechselnd magnetisiert, und die Metallscheibe wird zu demjenigen Magneten gezogen, der gegenwärtig magnetisiert ist. Mit elektromagnetisch gesteuerten Ventilen dieser bekannten Art kann der Öffnungsgrad der Ventile frei von Zyklus zu Zyklus und für einzelne Zylinder gesteuert werden. Die Zündkerze 2 ist mit einem Zündungssystem 14 mit einer Steuereinheit verbunden, in welche u.a. Signale zugeführt werden, welche die Motordrehzahl und die Gaspedalposition darstellen, zum Steuern der Zündung als Funktion der Motordrehzahl und -Last. Die Elektromagneten der Ventile 9, 11 werden durch eine Steuereinheit 15 gesteuert, in welche ein Signal von einem Sensor (nicht gezeigt) zugeführt wird, der direkt oder indirekt den Druck P in der Zylinderkammer misst, und/oder ein Signal zugeführt wird, das den Ionenstrom darstellt. Dieses Signal kann mit der Zündkerze als Sensor erhalten werden.

1-4 zeigen den HCCI-Betrieb, d.h. das Zündungssystem ist deaktiviert und die Zündung des zu der Brennkammer 3 zugeführten Kraftstoff-/Luftgemisches wird durch Selbstzündung während der Verdichtung des Gemisches bewirkt. 1 veranschaulicht die Position EC des Kolbens, wenn das Auslassventil 11 während de Auslasshubes schließt, und zwar bei niedriger Last und hoher Drehzahl innerhalb des unteren Drehzahlbereichs, d.h. bis zu 3000-4000 U/min, während 2 die Position IO des Kolbens zeigt, wenn das Einlassventil 9 während des Einlasshubes unter denselben Betriebsbedingungen öffnet. 3 und 4 zeigen in entsprechender Weise die Positionen EC und IO bei höherer Last und niedrigerer Drehzahl. In 5-7 bezeichnet EO "Auslass offen", EC bezeichnet "Auslass geschlossen", IO bezeichnet "Einlass offen" und IC bezeichnet "Einlass geschlossen". 5 zeigt die Ventilzeiten bei niedriger Last und hoher Drehzahl, während 6 die entsprechenden Zeiten bie hoher Last und niedriger Drehzahl zeigt. Bei einer gegebenen Last, Drehzahl und Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff in dem Kraftstoff-/Luftgemisch wird ein kürzerer Zündungsverzug (früherer Zündungsbeginn) erzielt, je früher das Auslassventil schließt, da die Menge eingeschlossener, heißer Restgase in diesem Falle in der Brennkammer zunehmen wird. Durch Rückfördern des Ionenstromsignals oder Drucksensorsignals kann das Öffnen und Schließen des Ventils derart gesteuert werden, dass die Verbrennung korrekt während des HCCI-Betriebes innerhalb des gesamten unteren Drehzahlbereichs positioniert werden kann.

Wenn die Drehzahl die obere Grenze des unteren Drehzahlbereichs, z.B. ca. 4000 U/min für ein Personenfahrzeug mit einem oberen Ende des Drehzahlbereichs von ca. 6000-8000 U/min, überschreitet, wird die Ventilsteuerung auf einen normalen Otto-Motorbetrieb umgeschaltet, d.h. mit normaler Ventilüberlappung, wie in 7 gezeigt, während gleichzeitig das Zündungssystem aktiviert wird. Dasselbe trifft zu, wenn die Motorlast 50-70% der maximalen Motorlast überschreitet.

Das Öffnungsgrad der Ventile kann im Prinzip auf zwei Weisen zum Steuern der Restgasmenge während des Auslasshubes oder während der Druckverminderung während des Einlasshubes gesteuert werden. Entweder kann die Hublänge der Ventile konstant sein, und die Zeiten zum Schließen des Auslassventils und zum Öffnen des Einlassventils können variiert werden, wie in 1-4 veranschaulicht, oder die Hublänge der Ventile kann variiert werden und die Öffnungszeit kann konstant sein, oder sie können mit einer Kombination der beiden Verfahren gesteuert werden.

Mit einem Otto-Motor im HCCI-Betrieb kann eine Effizienz erzielt werden, die derjenige eines normalen Dieselmotors entspricht, jedoch ohne die Partikelemissionen des Dieselmotors. Selbst ein Dieselmotor kann im HCCI-Betrieb mit entsprechender Steuerung der Ventile laufen. Doppelte Kraftstoffinjektoren sind in diesem Fall erforderlich, allerdings erstens Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in das Einlassrohr für den HCCI-Betrieb innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs, und zweitens Injektoren zur Direkteinspritzung im normalen Dieselbetrieb innerhalb des Drehzahlbereichs darüber. Ferner sind Geräte zum Umschalten der Kraftstoffeinspritzung erforderlich.

Eine variable Ventilsteuerung kann mit anderen Mitteln als Elektromagneten erzielt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer (3) eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder (1), der mindestens ein Einlassventil (9) und mindestens eine Auslassventil (11) besitzt, und mit Mitteln (2) zur Funkenzündung des Kraftstoff-/Luftgemisches in der Brennkammer (3), umfassend eine Zufuhr eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Brennkammer, und eine Verdichtung des Gemisches zur Selbstzündung, wobei das Auslassventil (11) während des Auslasshubes des Kolbens (4) derart gesteuert wird, dass es zumindest innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs schließt, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, wobei der Öffnungsgrad des Ventils in Abhängigkeit von der Motorlast und der Drehzahl derart variiert wird, dass die Restgasmenge beim Schließen des Ventils bei niedrigen Lasten und hoher Drehzahl größer ist als bei hohen Lasten und niedriger Drehzahl, um hierbei die Zündungsverzögerung durch Variieren des Verdünnungsgrades des Kraftstoff-/Luftgemisches mit Restgasen in der Brennkammer zu variieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (2) zur Funkenzündung innerhalb des unteren Drehzahlbereichs deaktiviert gehalten werden, und aktiviert werden, wenn die Motordrehzahl die obere Grenze des unteren Drehzahlbereichs überschreitet, und dass das Auslassventil (11) innerhalb des oberen Drehzahlbereichs derart gesteuert wird, dass es schließt, nachdem der Kolben (4) während des Auslasshubes seinen oberen Totpunkt erreicht hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (9) während des Einlasshubes des Kolbens (4) derart gesteuert wird, dass es zumindest innerhalb des unteren Drehzahlbereichs bei einer bestimmten Anzahl von Kurbelwellengraden nach dem oberen Totpunkt des Kolbens öffnet, wobei der Öffnungswinkel in Bezug auf den Öffnungswinkel des Auslassventils (11) variiert wird, um den Restgasdruck in der Brennkammer (3) auf den Einlassrohr-Luftdruck zu vermindern.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (11) und das Einlassventil (9) derart gesteuert werden, dass das Einlassventil beginnt zu öffnen, bevor das Auslassventil vollständig geschlossen hat.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Elektromagneten (12, 13) zum Steuern der Ventile (9, 11) verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Benzin als Kraftstoff verwendet wird.
  6. Viertakt-Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder (1), der mindestens ein Einlassventil (9), ein Auslassventil (11), Mittel zum Zuführen eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Brennkammer (3) des Zylinders, Steuermittel (15) zumindest zum Variieren des Öffnungsgrades des Auslassventils (11) und ein Zündungssystem mit mindestens einer Zündkerze (2) für jeden Zylinder (1) und ein Zündungssteuergerät (14), das mit einem Tachometer und mit einem Gaspedal-Positionssensor verbunden ist, besitzt, wobei die Steuermittel (15) derart angeordnet sind, um das Auslassventil (11) während des Auslasshubes des Kolbens (4) derart zu steuern, dass das Ventil zumindest innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs schließt, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, und dass der Öffnungsgrad des Ventils in Abhängigkeit von der Motorlast und der Drehzahl derart variiert wird, dass die Restgasmenge in der Brennkammer beim Schließen des Ventils bei niedrigen Lasten und hoher Drehzahl größer ist als bei hohen Lasten und niedriger Drehzahl, um hierbei die Zündungsverzögerung durch Variieren des Verdünnungsgrades des Kraftstoff-/Luftgemisches mit Restgasen in der Brennkammer zu variieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündungs-Steuergerät (14) vorgesehen ist, um die Zündkerze (2) innerhalb des unteren Drehzahlbereichs deaktiviert zu halten und die Zündkerze zu aktivieren, wenn die Motordrehzahl die obere Grenze des unteren Drehzahlbereichs überschreitet, und dass die Steuereinheit (15) der Ventile (9, 11) vorgesehen ist, um die Ventile innerhalb des oberen Drehzahlbereichs derart zu steuern, dass das Einlassventil (9) beginnt, zu öffnen, bevor das Auslassventil vollständig geschlossen hat.
  7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (15) derart angeordnet sind, um das Einlassventil (9) während des Einlasshubes des Kolbens (4) derart zu steuern, dass das Ventil zumindest innerhalb des unteren Drehzahlbereichs erst nach einer bestimmten Anzahl von Kurbelwellengraden nach dem oberen Totpunkt des Kolbens öffnet, und dass der Öffnungswinkel in Bezug auf den Öffnungswinkel des Auslassventils variiert wird, um den Restgasdruck in der Brennkammer auf den Einlassluftdruck zu vermindern.
  8. Motor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (9, 11) elektromagnetische Mittel (12, 13) besitzen, die mit einer Steuereinheit (15) verbunden sind, welche die Ventilbetätigungsmittel in Antwort auf verschiedene in die Steuereinheit eingegebene Signale steuert.
  9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) mit einem Ionenstromsignalsensor, der in der Brennkammer (3) angeordnet ist, einem Tachometer und einem Drucksensor verbunden ist.
  10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) mit einem Drucksignalgeber verbunden ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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