PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005048349A1 12.04.2007
Titel Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Hiller, Burkhard, 71739 Oberriexingen, DE;
Sauer, Christina, 71726 Benningen, DE;
Kulzer, Andre-Francisco Casal, 71032 Böblingen, DE;
Rao, Santosh, 71701 Schwieberdingen, DE;
Blank, Thomas, 74354 Besigheim, DE
DE-Anmeldedatum 10.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048349
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F02B 1/14(2006.01)A, F, I, 20051010, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02D 13/02(2006.01)A, L, I, 20051010, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil (27) und mindestens ein Auslassventil (28), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in einen Brennraum (26) eingebracht und in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes (V) selbstzündet, wird eine kontrollierte Selbstzündung in weiten Lastbereichen ermöglicht, indem die Öffnungszeiten des Einlassventils (27) und des Auslassventils (28) lastabhängig verändert werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in einen Brennraum eingebracht und in einem Verdichtungstakt verdichtet wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes selbstzündet.

Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine im HCCI-Modus (Homogenous Charge Compression Ignition), der manchmal auch als CAI (Controlled Auto Ignition), ATAC (Active Thermo Atmosphere Combustion) oder TS (Toyota Soken) bezeichnet wird, erfolgt die Entzündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches nicht durch Fremdzündung, sondern durch kontrollierte Selbstzündung. Der HCCI-Verbrennungsprozess kann beispielsweise durch einen hohen Anteil an heißen Restgasen und/oder durch eine hohe Verdichtung und/oder eine hohe Eintrittslufttemperatur hervorgerufen werden. Voraussetzung für die Selbstzündung ist ein ausreichend hohes Energieniveau im Zylinder. Im HCCI-Modus betreibbare Brennkraftmaschinen, sind z.B. aus US 6,260,520, US 6,390,054, DE 199 27 479 und WO 98/10179 bekannt.

Die HCCI-Verbrennung hat gegenüber einer herkömmlichen fremdgezündeten Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs und geringerer Schadstoffemissionen. Allerdings ist die Regelung des Verbrennungsprozesses und insbesondere die Steuerung der Selbstzündung des Gemisches komplex.

Probleme des Standes der Technik

Derzeit sind nur niedrige Lasten dem HCCI Modus zugänglich. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die kontrollierte Selbstzündung auch auf andere Lastbereiche auszudehnen.

Vorteile der Erfindung

Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Brennraum eingebracht und in einem Verdichtungstakt verdichtet wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes selbstzündet und wobei die Öffnungszeiten des Einlassventils und des Auslassventils lastabhängig verändert werden. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch enthält vorzugsweise zusätzlich Abgas, sodass sich ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch ergibt. Das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch kann durch Restgas, das z.B. von dem vorherigen Arbeitstakt stammt, und Frischluft, die im Ansaugtakt in den Brennraum eingebracht wurde erzeugt werden, wobei Kraftstoff direkt in den Brennraum oder in den Ansaugtrakt eingespritzt wird. Vorzugsweise wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt (Benzindirekteinspritzung BDE). Die Selbstündung erfolgt ohne Zündung durch ein Zündmittel wie z.B. eine Zündkerze. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine kontrollierte Selbstzündung in weiten Lastbereichen ermöglicht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine eine Restgasspeicherung erfolgt. Vorzugsweise wird die Restgasspeicherung durch eine negative Ventilüberschneidung zwischen Einlassventil und Auslassventil bewirkt. Dabei verbleibt Restgas, das von dem vorherigen Arbeitstakt stammt, in dem Brennraum.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei hohen Lasten eine positive Ventilüberschneidung zwischen Einlassventil und Auslassventil besteht. Vorzugsweise ist die positive Ventilüberschneidung derart gestaltet, dass Restgas aus dem Abgaskanal und/oder dem Ansaugkanal in den Brennraum zurückgefördert wird.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass Kraftstoff in mehreren Teilmengen (Einspritzungen) in den Brennraum und/oder den Ansaugtrakt eingespritzt wird. Vorzugsweise wird eine Teilmenge im Ausstoßtakt in den Brennraum eingespritzt. Des Weiteren kann eine Teilmenge im Ansaugtakt in den Brennraum oder den Ansaugtrakt eingespritzt werden. Ebenso kann eine Teilmenge in einem oder mehreren Einspritzungen im Verdichtungstakt in den Brennraum eingespritzt werden. Mit diesen Maßnahmen kann die Temperatur des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in weiten Bereichen gesteuert werden.

Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung, der in einer Betriebsart mit in kontrollierter Selbstzündung betreibbar ist, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (bzw. Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch) in den Brennraum eingebracht und in einem Verdichtungstakt verdichtet werden kann, wobei das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes selbstzündfähig ist und wobei die Öffnungszeiten des Einlassventils und des Auslassventils lastabhängig veränderbar sind.

Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffversorgungssystem;

2 eine schematische Darstellung einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung;

3 ein Diagramm Brennraumdruck über dem Kurbelwellenwinkel;

4 ein Diagramm der Ventilöffnung über dem Kurbelwellenwinkel;

5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit zugehörigen Komponenten des Kraftstoffversorgungssystems. Beispielhaft dargestellt ist eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung (Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung BDE) mit einem Kraftstofftank 11, an dem eine Elektrokraftstoffpumpe (EKP) 12, ein Kraftstofffilter 13 und ein Niederdruckregler 14 angeordnet sind. Vom Kraftstofftank 11 führt eine Kraftstoffleitung 15 zu einer Hochdruckpumpe 16. An die Hochdruckpumpe 16 schließt sich ein Speicherraum 17 an. Am Speicherraum 17 sind Einspritzventile 18 angeordnet, die vorzugsweise direkt Brennräumen 26 der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung ist jedem Brennraum 26 wenigstens ein Einspritzventil 18 zugeordnet, es können hier aber auch mehrere Einspritzventile 18 für jeden Brennraum 26 vorgesehen sein. Der Kraftstoff wird durch die Elektrokraftstoffpumpe 12 aus dem Kraftstofftank 11 über den Kraftstofffilter 13 und die Kraftstoffleitung 15 zur Hochdruckpumpe 16 gefördert. Der Kraftstofffilter 13 hat die Aufgabe, Fremdpartikel aus dem Kraftstoff zu entfernen. Mit Hilfe des Niederdruckreglers 14 wird der Kraftstoffdruck in einem Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems auf einen vorbestimmten Wert, der meist in der Größenordnung von etwa 4 bis 5 bar liegt, geregelt. Die Hochdruckpumpe 16, die vorzugsweise direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, verdichtet den Kraftstoff und fördert ihn den Speicherraum 17. Der Kraftstoffdruck erreicht hierbei Werte von bis zu etwa 150 bar. In 1 ist beispielhaft ein Brennraum 26 einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung dargestellt, im Allgemeinen weist die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder mit je einem Brennraum 26 auf. An dem Brennraum 26 ist wenigstens ein Einspritzventil 18, wenigstens eine Zündkerze 24, wenigstens ein Einlassventil 27, wenigstens ein Auslassventil 28 angeordnet. Der Brennraum wird von einem Kolben 29, der in dem Zylinder auf- und abgleiten kann, begrenzt. Über das Einlassventil 27 wird Frischluft aus einem Ansaugtrakt 36 in den Brennraum 26 angesaugt. Mit Hilfe des Einspritzventils 18 wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum 26 der Brennkraftmaschine gespritzt. Mit der Zündkerze 24 wird der Kraftstoff entzündet. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 29 angetrieben. Die Bewegung des Kolbens 29 wird über eine Pleuelstange 37 auf eine Kurbelwelle 35 übertragen. An der Kurbelwelle 35 ist eine Segmentscheibe 34 angeordnet, die von einem Drehzahlsensor 30 abgetastet wird. Der Drehzahlsensor 30 erzeugt ein Signal, das die Drehbewegung der Kurbelwelle 35 charakterisiert.

An dem Brennraum kann eine weitere Zündeinrichtung 40 angeordnet sein. Es kann sich hier um eine weitere Zündkerze zusätzlich zur Zündkerze 24 oder beispielsweise einen Laser oder dergleichen handeln. Mit der weiteren Zündeinrichtung 40 oder der Zündkerze 24 wird die nachfolgend beschriebene Fremdzündung zur Herbeiführung der Selbstzündung ausgelöst. Die weitere Zündeinrichtung 40 wird durch das Steuergerät 25 gesteuert und ist dazu elektrisch mit diesem verbunden.

Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase gelangen über das Auslassventil 28 aus dem Brennraum 26 zu einem Abgasrohr 33, in dem ein Temperatursensor 31 und eine Lambdasonde 32 angeordnet sind. Mit Hilfe des Temperatursensors 31 wird die Temperatur und mit Hilfe der Lambdasonde 32 der Sauerstoffgehalt der Abgase erfasst.

Ein Drucksensor 21 und ein Drucksteuerventil 19 sind am Speicherraum 17 angeschlossen. Das Drucksteuerventil 19 ist eingangsseitig mit dem Speicherraum 17 verbunden. Ausgangsseitig führt eine Rückflussleitung 20 zur Kraftstoffleitung 15.

Anstatt einem Drucksteuerventil 19 kann auch ein Mengensteuerventil in dem Kraftstoffversorgungssystem 10 zur Anwendung kommen. Mit Hilfe des Drucksensors 21 wird der Istwert des Kraftstoffdrucks im Speicherraum 17 erfasst und einem Steuergerät 25 zugeführt. Durch das Steuergerät 25 wird auf der Basis des erfassten Istwertes des Kraftstoffdrucks ein Ansteuersignal gebildet, mit dem das Drucksteuerventil angesteuert wird. Die Einspritzventile 18 werden über nicht dargestellte elektrische Endstufen angesteuert, die innerhalb oder außerhalb des Steuergerätes 25 angeordnet sein können. Über Steuerungssignalleitungen 22 sind die verschiedenen Aktuatoren und Sensoren mit dem Steuergerät 25 verbunden. Im Steuergerät 25 sind verschiedene Funktionen, die zur Steuerung der Brennkraftmaschinen dienen, implementiert. In modernen Steuergeräten werden diese Funktionen auf einem Rechner programmiert und anschließend in einem Speicher des Steuergerätes 25 abgelegt. Die im Speicher abgelegten Funktionen werden in Abhängigkeit der Anforderungen an die Brennkraftmaschine aktiviert, hierbei werden insbesondere strenge Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit des Steuergerätes 25 gestellt. Prinzipiell ist eine reine Hardwarerealisierung der Steuerung der Brennkraftmaschine alternativ zu einer Softwarerealisierung möglich.

In dem Ansaugtrakt 36 ist eine Drosselklappe 38 angeordnet, deren Drehstellung über eine Signalleitung 39 und einen zugehörigen, hier nicht dargestellten elektrischen Aktuator durch das Steuergerät 25 einstellbar ist.

Anhand 2 soll zunächst das Prinzip einer für das erfindungsgemäße Verfahren nutzbaren hydraulischen Ventilsteuerung dargestellt werden. Es versteht sich, dass auch andere Realisierungen einer hydraulischen Ventilsteuerung oder andersartige variable Ventilsteuerungen verwendet werden können. Die Ventilsteuerung ist Teil eines Verbrennungsmotors mit Hubkolben, wobei der Gasaustausch über an sich bekannte Gaswechselventile (Ein- und Auslassventile) erfolgt. Das Öffnen und Schließen der Gaswechselventile erfolgt anstatt über beispielsweise eine Nockenwelle und Kipphebel oder Stößel zur Übertragung der Bewegung über die anhand der 2 dargestellte hydraulische Ventilsteuerung.

Die in Form einer Prinzipskizze dargestellte hydraulische Ventilsteuerung 41 umfasst im Wesentlichen einen Doppelkolben 42, der mit einem unteren Druckraum 43 sowie einem oberen Druckraum 44 zusammenwirkt. Der Doppelkolben 42 ist mit einem durchgehenden Stößel 45 verbunden. Der Stößel 45 wiederum ist aufgeteilt in einen unteren Stößel 46 sowie einen oberen Stößel 47. Der untere Stößel 46 ist mit einem nicht näher dargestellten Gaswechselventil 48, das ein Ein- bzw. Auslassventil sein kann, mechanisch verbunden. Je nach Betätigungsrichtung des Gaswechselventils 48 kann dieses auch mit dem oberen Stößel 47 verbunden sein. Das hydraulische System für das hier dargestellte Gaswechselventil 48 ist im Prinzip identisch mit dem hydraulischen System eines Einlassventils. Der untere Druckraum 43 bildet zusammen mit dem Doppelkolben 42 und dem unteren Stößel 46 einen unteren Kolben 51. Entsprechend bildet der obere Druckraum 44 zusammen mit dem Doppelkolben 42 und dem oberen Stößel 47 einen oberen Kolben 52.

Der Doppelkolben 42 bildet zusammen mit dem unteren Druckraum 43 und dem oberen Druckraum 44 eine in zwei Richtungen wirkende bzw. einsetzbare Kolben/Zylinderanordnung. Die hydraulische Beschaltung sowie die Funktionsweise und zumindest Ansätze zur Einbindung in das Motormanagement des Kolbenmotors werden im Folgenden beschrieben. Ein Hochdruckrail 49 ist über ein erstes Rückschlagventil RV1 mit dem unteren Druckraum 43 hydraulisch verbunden. Der Hochdruckrail 49 ist eine sämtliche Ventilsteuerungen des Verbrennungsmotors verbindende Hydraulikvorlaufleitung, die je nach Betriebszustand des Motors, dies betrifft insbesondere die Drehzahl und Last, aber auch Parameter wie Einspritzdruck und dergleichen, auf einem bestimmten Druckniveau gehalten wird. Das erste Rückschlagventil RV1 bewirkt, dass eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit nur von dem Hochdruckrail 49 in den unteren Druckraum 43 erfolgen kann. Ein Rückfließen auch bei einem höheren Druck in dem unteren Druckraum 43 gegenüber dem Hochdruckrail 49 wird so unterbunden. Der untere Druckraum 43 ist mit dem oberen Druckraum 44 über ein erstes Magnetventil MV1 verbunden. Das erste Magnetventil MV1 besitzt eine geschlossene und eine geöffnete Stellung, die Darstellung der 2 zeigt die geöffnete Stellung. Anstatt eines Magnetventils können hier auch andere extern steuerbare Ventile verwendet werden. In der geöffneten Stellung des ersten Magnetventils MV1 kann ein Druckausgleich zwischen dem unteren Druckraum 43 und dem oberem Druckraum 44 erfolgen. Der obere Druckraum 44 ist zusätzlich über ein zweites Rückschlagventil RV2 mit dem Hochdruckrail 49 verbunden. Sollte der Druck in dem oberen Druckraum 44 größer sein als in dem Hochdruckrail 49, so kann hier ein Druckausgleich erfolgen. Die im Betrieb mit dem Druck des Hochdruckrails beaufschlagbaren Leitungen und Ventile des hydraulisches Systems werden begrifflich als Hochdruckrailverteiler 53 zusammengefasst, dies ist in der Skizze der 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt, die den Hochdruckrailverteiler 53 von dem Doppelkolben 42 mit den zugehörigen Druckräumen 43, 44 sowie dem Rücklaufrail 50 zeichnerisch als Teilsystem abgrenzt. Der obere Druckraum 44 ist über ein zweites Magnetventil MV2 mit einem Rücklaufrail 50 verbunden. In dem Rücklaufrail herrscht im Betrieb ein Druck in der Größenordnung von 1–2 bar. Der Rücklaufrail dient der Zuführung des durch die hydraulische Ventilsteuerung 41 hindurchgeflossenen Hydrauliköls zu einer Pumpe, die den Hochdruckrail 49 mit Hydrauliköl höheren Druckes versorgt. Das Gesamtsystem ist insofern geschlossen. In 2 ist nur der hier interessierende Teil der hydraulischen Ventilsteuerung 41 anhand eines Doppelkolbens 42 zur Betätigung eines Gaswechselventils 48 dargestellt. Bei einem Verbrennungsmotor können ein oder mehrere Gaswechselventile 48, die jeweils von dem gleichen Doppelkolben 42 oder von jeweils einzeln zugeordneten Doppelkolben 42 gesteuert werden, vorhanden sein.

Die Magnetventile MV1 und MV2 werden elektrisch durch ein Ventilsteuergerät betätigt. Das Ventilsteuergerät umfasst eine Leistungsendstufe sowie eine Steuerlogik und ist entweder Teil einer elektronischen Steuereinheit ECU oder mit dieser zum Datenaustausch verbunden.

In 2 dargestellt ist die Ventilstellung der jeweils steuerbaren Ventile, dies sind das erste Magnetventil MV1 und das zweite Magnetventil MV2, in der geschlossenen Stellung des Gaswechselventils 48. Dabei ist das erste Magnetventil MV1 geschlossen, das zweite Magnetventil MV2 geöffnet. Dies bewirkt, dass der untere Druckraum 43 auf dem Druckniveau des Hochdruckrails 49 ist, der obere Druckraum 44 ist auf dem Druckniveau des Rücklaufrails 50. Der Druck in dem unteren Druckraum 43 ist somit höher als der in dem oberen Druckraum 44. Der Doppelkolben 42 wird daher in Richtung des oberen Druckraumes 44 gedrückt. Das Gaswechselventil 48 wird dadurch geschlossen.

Zum Öffnen des Gaswechselventiles 48 wird zunächst das zweite Magnetventil MV2 geschlossen, sodann wird das erste Magnetventil MV1 geöffnet. Es kann also keine Hydraulikflüssigkeit mehr von dem oberen Druckraum 44 in den Rücklaufrail 50 fließen. Nunmehr ist aber ein Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen dem unteren Druckraum 43 und dem oberen Druckraum 44 über das erste Magnetventil MV1 möglich. Wie auch der Skizze der 2 zu entnehmen ist, weist der untere Kolben 51 eine geringere hydraulisch wirksame Oberfläche auf als der obere Kolben 52. Die hydraulisch wirksame Fläche des unteren Kolbens 51 ist kleiner als die hydraulisch wirksame Fläche des oberen Kolbens 52. Mit hydraulisch wirksamer Fläche ist der Flächenanteil gemeint, der bei Druckbeaufschlagung des jeweiligen Druckraumes in Bewegungsrichtung des Kolbens mit Druck beaufschlagt wird. Die unterschiedlichen hydraulisch wirksamen Flächen sind in der Darstellung der 2 durch unterschiedliche Durchmesser des unteren Stößels 46 gegenüber dem oberen Stößel 47 angedeutet. Der untere Stößel 46 weist einen größeren Durchmesser auf als der obere Stößel 47, daher ist die hydraulisch wirksame Fläche des unteren Kolbens 51 kleiner als die des oberen Kolbens 52.

3 zeigt ein Diagramm des Brennraumdruckes in dem Brennraum 26 der Brennkraftmaschine über dem Kurbelwellenwinkel in grad Kurbelwelle (°KW). Über der Ordinate dargestellt ist ein Kurbelwellenwinkel von –180° bis 540°, über der Abszisse ist der Brennraumdruck in bar aufgetragen. Mit 0° ist hier willkürlich der Obere Totpunkt im Ladungswechsel L-OT gewählt. Der Ladungswechsel dient in bekannter Weise dem Ausstoßen verbrannter Abgase, dies findet hier zwischen –180° und 0° Kurbelwelle statt, und dem Ansaugen frischer Umgebungsluft bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, dies findet hier im Kurbelwellenwinkelbereich von 0–180° statt. Eine Kurbelwellenumdrehung weiter, bei 360° Kurbelwelle, ist der Obere Totpunkt der Zündung (Zündungs-OT) erreicht. Zwischen 180° Kurbelwelle in 2 und 360° Kurbelwellenwinkel findet der Verdichtungstakt statt, zwischen 360° Kurbelwellenwinkel und 540° Kurbelwellenwinkel findet die Expansion der verbrennenden Gase statt. Die einzelnen Takte sind in 2 bezeichnet mit Ausstoßen AU von –180° bis 0°, Ansaugen AN von 0° bis 180°, Verdichtungstakt (Kompression) V von 180° bis 360° und Expansion (Verbrennung) E von 360° bis 540°. Im Verdichtungstakt V wird das Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch verdichtet und dabei erhitzt. Das Gemisch wird in der Regel kurz vor Erreichen des Zündungs-OTs gezündet. Dies kann wie beim Ottomotor üblich durch Fremdzündung oder gemäß der erfindungsgemäßen Betriebsart durch eine kontrollierte Selbstzündung erfolgen. Die Zündung des Gemisches führt in bekannter Art und Weise zu einer Druckerhöhung, die im sich daran anschließenden Arbeitstakt der Expansion E in mechanische Energie umgewandelt wird.

In 3 zusätzlich dargestellt sind mehrere Einspritzungen über den Kurbelwellenwinkel verteilt. Die verschiedenen Einspritzungen sind jeweils als senkrechter Pfeil mit Spitze nach unten in dem Diagramm dargestellt. Eine Voreinspritzung VE, auch als heating injection bezeichnet, wird noch während des Ausstoßtaktes, mithin vor dem Oberen Totpunkt bei 0° Kurbelwellenwinkel, abgesetzt. Aufgabe dieser Einspritzung ist es, die in dem Zylinder z.B. an den Wänden oder durch das auszustoßende Abgas vorhandene Restwärme zu nutzen, um das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in dem Brennraum 26 zu erwärmen.

In dem daran sich anschließenden Ansaugtakt zwischen 0 und 180° Kurbelwelle erfolgt die Haupteinspritzung HE, die auch mehrteilig sein kann, wie beispielsweise in 3 anhand der Einspritzungen HE 1 und HE 2 dargestellt. In dem Ansaugtakt, zwischen 180° Kurbelwelle und 360° Kurbelwelle, erfolgt zunächst eine Nacheinspritzung NE, die auch als cooling injection bezeichnet werden kann. Die Verdampfungsenthalpie des eingespritzten Kraftstoffes kühlt dabei das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in dem Brennraum 26. Im weiteren Verlauf des Verdichtungstaktes erfolgt kurz vor Erreichen des Oberen Totpunktes bei 360° Kurbelwelle eine Zusatzeinspritzung (stratified ignition injection), die die kontrollierte Selbstzündung in dem Brennraum 26 initiiert.

In 4 ist das Öffnen und Schließen jeweils des Einlaßventiles IV sowie des Auslaßventiles EV dargestellt. Das Auslaßventil EV wird wie bei einem 4-Takt-Motor üblich im Ausstoßtakt zwischen –180° bis 0° Kurbelwelle geöffnet, entsprechend wird das Einlaßventil IV im Bereich des Ansaugtaktes zwischen 0° Kurbelwelle und 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. In 4 sind nun vier Fälle dargestellt, die jeweils unterschiedliche Ventilöffnungsstrategien repräsentieren. In 4.1 ist die übliche Ventilöffnungsstrategie dargestellt, bei der das Auslaßventil EV kurz vor Erreichen des Unteren Totpunktes UT geöffnet wird und in etwa bis –90° Kurbelwelle geöffnet bleibt. Dadurch verbleibt ein Teil der verbrannten Abgase im Brennraum 26. Das Einlaßventil IV wird erst etwa bei 90° Kurbelwellenwinkel geöffnet sobald Druckgleichgewicht zwischen Brennraum 26 und Ansaugtrakt besteht und verbleibt geöffnet in etwa bis zum Erreichen des Unteren Totpunktes. Auf diese Art und Weise wird eine so genannte negative Ventilüberlappung bewirkt, die dafür sorgt, dass ein Teil der verbrannten Abgase im Brennraum 26 verbleibt und zur Erwärmung des im Ansaugtakt in den Brennraum eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches dient. Auf diese Art und Weise wird im Brennraum 26 ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch erzeugt.

4.2 zeigt eine Alternative Ansteuerstrategie für die Ein-laß- und Auslaßventile. In diesem Fall bleibt das Auslaßventil EV zwischen Unterem Totpunkt UT und Oberem Totpunkt OT geöffnet, das Einlaßventil bleibt entsprechend zwischen Oberem Totpunkt und Unterem Totpunkt geöffnet. Es findet eine sehr kurze Ventilüberschneidung im Bereich des Oberen Totpunktes statt.

Während der Öffnung des Einlaßventiles IV wird zusätzlich im Bereich von etwa 90° Kurbelwellenwinkel bis kurz vor Erreichen des Unteren Totpunktes UT zusätzlich das Auslaßventil EV geöffnet. Dadurch sind in diesem Bereich sowohl Einlaßventil als auch Auslaßventil geöffnet, so dass ein Teil der ausgestoßenen Abgase über das Auslaßventil wieder in den Brennraum zurückbefördert wird.

In 4.3 ist eine weitere Ventilsteuerstrategie dargestellt, bei dieser bleibt das Auslaßventil EV zwischen dem Unteren Totpunkt UT über dem Oberen Totpunkt OT bis nahe an den Unteren Totpunkt bei etwa 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Zusätzlich wird das Einlaßventil IV in etwa zwischen 90° Kurbelwellenwinkel und dem Unteren Totpunkt UT bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Dadurch wird zwischen Unterem Totpunkt bei –180° Kurbelwelle und Erreichen des Oberen Totpunktes bei 0° Kurbelwellenwinkel verbranntes Abgas aus dem Brennraum 26 ausgestoßen und sodann zwischen 0° Kurbelwellenwinkel und dem Schließen des Auslaßventils EV hier bei etwa 120° Kurbelwellenwinkel wieder aus der Abgasanlage in dem Brennraum 26 angesaugt. Das Einlaßventil IV ist hier zwischen etwa 90° Kurbelwellenwinkel und dem Erreichen des Unteren Totpunktes bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet, so dass in dieser Zeit Frischluft angesaugt werden kann. Auch hier tritt eine Ventilüberlappung auf, in diesem Fall etwa zwischen 90° Kurbelwellenwinkel und 120° Kurbelwellenwinkel.

4.4 zeigt eine weitere Variante einer Ventilsteuerstrategie, bei dieser ist das Auslaßventil EV zwischen dem Unteren Totpunkt bei –180° Kurbelwelle und dem Oberen Totpunkt bei 180° Kurbelwelle geöffnet, das Einlaßventil IV ist etwa zwischen –60° Kurbelwellenwinkel über dem Oberen Totpunkt bei 0° Kurbelwellenwinkel bis zum Unteren Totpunkt bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Es tritt hier also eine Ventilüberschneidung in etwa zwischen –60° Kurbelwellenwinkel und dem Erreichen des Oberen Totpunktes bei 0° Kurbelwellenwinkel auf. Dadurch wird ein Teil des Abgases in den Ansaugtakt gedrückt und während der Öffnungszeit des Einlaßventiles zwischen Oberem Totpunkt bei 0° Kurbelwelle und Unterem Totpunkt bei 180° Kurbelwellenwinkel wieder in den Brennraum 26 zurück transportiert.

Die Ventilsteuerung im Ausführungsbeispiel der 4.1 bewirkt eine heiße Restgasmenge im Brennraum 26 und ermöglicht eine geschichtete Einspritzung. Diese Ventilsteuerstrategie ist also für den Schichtbetrieb ideal. Demgegenüber ist die anhand der 4.4 dargestellte Ventilsteuerung mit einer warmen Restgasmenge im Brennraum 26 verbunden und ermöglicht eine homogene Ladung des Brennraumes 26 und damit einen homogenen Betrieb der Brennkraftmaschine. Die Ventilsteuerung entsprechend der Ausführungsbeispiele nach 4.2 und 4.3 sind jeweils Übergangslösungen zwischen den in 4.1 und 4.4 dargestellt Extremen. In unterschiedlichen Lastpunkten werden unterschiedliche Ventil- und Einspritzstrategien benötigt. Bei sehr niedrigen Lasten ist eine hohe Restgasrate notwendig um die benötigte Selbstzündtemperatur bereitzustellen. An diesem Betriebspunkt wird die Restgasspeicherung gemäß 4.1 im Brennraum 26 verwendet, wobei das Auslaßventil deutlich vor dem Gaswechsel-OT geschlossen wird. Die Verdichtung der im Zylinder befindlichen Restgasmasse führt zu einer weiteren Temperaturerhöhung. Die Einspritzung erfolgt, sobald der Kolben sich im Bereich des Gaswechsel-OTs befindet. Aufgrund der hohen Temperaturen kommt es zu Zerfallsreaktionen des Kraftstoffes in reaktivere Zwischenprodukte, die den Selbstzündzeitpunkt maßgeblich beeinflussen und hier den Selbstzündzeitpunkt reduzieren. Das Einlaßventil wird geöffnet, sobald Druckgleichgewicht zwischen Saugrohr und Brennraum herrscht, um Strömungsverluste zu vermeiden.

Hin zu höheren Lasten besteht die Gefahr, dass sich die Zylinderladung aufgrund der hohen Temperaturen zu früh entzündet und die darauf folgende sehr schnelle Verbrennung zu Klopfen führt, da hier kleinere Mengen an Restgas vorhanden sind. Daher kommt mit steigender Last die positive Ventilüberschneidung zum Einsatz, wie diese in den Ausführungsbeispielen zur Ventilsteuerung gemäß der 4.2, 4.3 sowie 4.4 dargestellt sind. Dabei wird die benötigte Restgasmenge entweder aus dem Abgas- oder dem Einlaßkanal zurückgesaugt. Die Einspritzung erfolgt dann im Ansaugtakt, wobei der Zeitpunkt der Einspritzung Einfluss auf die Homogenität der Zylinderladung nimmt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, eine weitere Einspritzung im Kompressionstakt abzusetzen. Hier bewirkt die Verdampfungsenthalpie des Kraftstoffes eine Kühlung der Zylinderladung, was einer zu frühen Selbstzündung und klopfenden Verbrennung entgegenwirkt. Die Einspritzung während des Kompressionstaktes kann auch mit einer Einspritzung in die verdichtete Restgasmenge kombiniert werden, sofern die Ventilsteuerstrategie der Restgasspeicherung gemäß 4.1 verwendet wird. Dabei ist auch die Kombination von mehreren Einspritzungen beginnend im Bereich des Gaswechsel-OT über den Ansaugtakt bis in den Kompressionstakt wie dies in 3 dargestellt ist möglich.

In 5 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens dargestellt. Zunächst wird in Schritt 101 geprüft, in welchem Lastpunkt die Brennkraftmaschine gerade betrieben wird. Entsprechend der Darstellung zu 4 wird nun in Schritt 102 in verschiedene Ventilregelstrategien verzweigt, diese sind der Einfachheit halber in 5 nach der Darstellung der 4 als 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 bezeichnet. 4.3 beispielsweise bezeichnet die anhand der 4.2 zuvor dargestellte Ventilregelstrategie. Daraufhin werden in Schritt 103 entsprechende Vor-, Haupt-, Nach- und Zündeinspritzungen abgesetzt und das Verfahren beginnt in Schritt 101 erneut.


Anspruch[de]
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter Selbstzündung, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil (27) und mindestens ein Auslassventil (28), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Brennraum (26) eingebracht und in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes (V) selbstzündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeiten des Einlassventils (27) und des Auslassventils (28) lastabhängig verändert werden. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine (1) eine Restgasspeicherung erfolgt. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgasspeicherung durch eine negative Ventilüberschneidung zwischen Einlassventil (27) und Auslassventil (28) bewirkt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen Lasten eine positive Ventilüberschneidung zwischen Einlassventil (27) und Auslassventil (28) besteht. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Ventilüberschneidung derart ist, dass Restgas aus dem Abgasrohr (33) und/oder dem Ansaugtrakt (36) in den Brennraum zurückgefördert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff in mehreren Teilmengen (VE, HE, NE, ZE) in den Brennraum (26) oder den Ansaugtrakt (36) eingespritzt wird Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge im Ausstoßtakt (AU) in den Brennraum (26) eingespritzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge im Ansaugtakt (AN) in den Brennraum (26) oder den Ansaugtrakt (36) eingespritzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge in einem oder mehreren Einspritzungen (NE, ZE) im Verdichtungstakt (V) in den Brennraum (26) eingespritzt wird. Brennkraftmaschine (1), insbesondere Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung, der in einer Betriebsart mit in kontrollierter Selbstzündung betreibbar ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum (26), mindestens ein Einlassventil (27) und mindestens ein Auslassventil (28), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst und ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in den Brennraum (26) eingebracht und in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet werden kann, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes (V) selbstzündfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeiten des Einlassventils (27) und des Auslassventils (28) lastabhängig veränderbar sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com