DE10147536A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche zumindest einen Betriebsmodus aufweist, in welchem die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung eines selbstzündbaren homogenen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt und wobei der Inertgasanteil im Brennraum (7) eingestellt wird. Um Verbrennungsbeginn und maximale Brennrate unabhängig voneinander steuern zu können, ist vorgesehen, dass Sollwerte für die aktuelle Ansauglufttemperatur (t¶LS¶) und den aktuellen Inertgasanteil in Abhängigkeit von aktuellen Motorparametern bestimmt werden, dass Ist-Werte für die aktuelle Ansauglufttemperatur (t¶L¶) und den aktuellen Inertgasanteil ermittelt werden und dass aufgrund der Abweichung der Ist-Werte von den Sollwerten der Ladungstemperaturverlauf (t¶LA¶) und der Inertgasanteil sowohl durch Steuerung des Restgasgehaltes im Brennraum (7) als auch durch Steuerung der Menge von extern rückgeführtem Abgas eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche zumindest einen Betriebsmodus aufweist, in welchem die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung eines selbstzündbaren homogenen Kraftstoff- Luftgemisches erfolgt und wobei der Inertgasanteil im Brennraum eingestellt wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche zumindest einen Betriebsmodus aufweist, in welchem die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung eines selbstzündbaren homogenen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt, mit einer Einrichtung zur Steuerung des Inertgasgehaltes im Brennraum.
Die wichtigsten Bestimmungsstücke für den Verbrennungsablauf in einer Brenn­ kraftmaschine mit innerer Verbrennung sind die Phasenlage des Verbrennungs­ ablaufes bzw. des Verbrennungsbeginnes, die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Zylinderdruckes, sowie der Spitzendruck.
Bei einer Brennkraftmaschine, bei der die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung eines selbstzündbaren homogenen Kraftstoff-Luftgemisches er­ folgt, werden diese Bestimmungsstücke durch die Steuerung der Ladungszu­ sammensetzung und des Ladungstemperaturverlaufes festgelegt. Diese beiden Größen werden ihrerseits durch eine große Anzahl von Einflussgrößen bestimmt, wie z. B. Drehzahl, Kraftstoffmenge, Ansaugtemperatur, Ladedruck, effektives Kompressionsverhältnis, Inertgasgehalt der Zylinderladung und Bauteiltempera­ tur.
Es zeigt sich, dass der Ladungstemperatur eine besonders wichtige Rolle für die Steuerung der Geschwindigkeit der während der Zündverzugsphase und der Verbrennung selbst ablaufenden chemischen Vorgänge zukommt. Ein sehr wirk­ sames Mittel zur Erhöhung der Ladungstemperatur ist die Erhöhung des Restgas­ gehaltes, das heißt, die Erhöhung des Gehaltes an nicht ausgespültem Abgas des vorhergehenden Verbrennungszyklus in der Zylinderladung für den nächsten Zyklus.
In der AT 003 135 U1 wird eine Brennkraftmaschine beschrieben, welche zumin­ dest in einem Betriebsmodus ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch durch Selbstzündung eines sowohl fremd- als auch selbstzündbaren Kraftstoffes, insbe­ sondere Benzin, verbrennt. Dadurch kann im Teillastbereich ein besonders emis­ sionsgünstiger Betrieb erreicht werden. Um die Menge des Restgases im Sinne einer inneren Abgasrückführung zur Anhebung der Ladungstemperatur im Teil­ lastbereich steuern zu können, ist vorgesehen, dass durch eine variable Ven­ tilsteuerungseinrichtung der Schließzeitpunkt zumindest eines Auslassventiles in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern veränderbar ist. Die innere Abgas­ rückführung bzw. Steuerung des Restgasgehaltes im Brennraum führt aber auch zu einer Erhöhung des Inertgasgehaltes. Um den Verbrennungsbeginn und die maximale Brennrate unabhängig voneinander steuern zu können, wäre allerdings eine vom Temperaturbedarf unabhängige Kontrolle des Inertgasgehaltes erfor­ derlich.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine bessere Steuerung des Verbrennungsablaufes bei homogen selbstzündbarem Kraftstoff- Luftgemisch verbrennenden Brennkraftmaschinen zu ermöglichen. Insbesondere solle der Verbrennungsbeginn und die maximale Brennrate unabhängig vonein­ ander steuerbar sein.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass Sollwerte für die aktuelle Ansaug­ lufttemperatur und den aktuellen Inertgasanteil in Abhängigkeit von aktuellen Motorparametern bestimmt werden, dass Ist-Werte für die aktuelle Ansaugluft­ temperatur und den aktuellen Inertgasanteil ermittelt werden und dass aufgrund der Abweichung der Ist-Werte von den Sollwerten der Ladungstemperaturverlauf und der Inertgasanteil sowohl durch Steuerung des Restgasgehaltes im Brenn­ raum, als auch durch Steuerung der Menge von extern rückgeführtem Abgas eingestellt werden. Durch die Kombination aus Restgassteuerung und externer Rückführung von Abgas und geeignete Abstimmung der Restgasmengen und rückgeführten Abgasmengen ist eine vom Temperaturbedarf unabhängige Kon­ trolle des Inertgasgehaltes realisierbar. Durch geeignete Einstellung des die La­ dungstemperatur erhöhenden Restgasgehaltes und des die Brenngastemperatur vermindernden extern rückgeführten Abgases können somit innerhalb eines weiten Variierbereiches Ladungstemperaturverlauf und Inertgasanteil unabhängig voneinander eingestellt werden. Dies wird dadurch möglich, dass die Einrichtung zur Steuerung des Inertgasgehaltes eine externe Abgasrückführeinrichtung und eine Restgassteuerungseinrichtung aufweist und dass der Ladelufttemperatur­ verlauf und der Inertgasanteil durch Steuerung des Restgasanteiles und des An­ teiles an extern rückgeführtem Abgas einstellbar ist.
Die Kontrolle des Restgasgehaltes ist gemäß einer Ausführung der Erfindung da­ durch realisierbar, dass zur Steuerung des Restgasgehaltes der Schließzeitpunkt zumindest eines Auslassventiles verändert wird. Daneben kann der Restgasge­ halt - verbunden mit leichter Verringerung der Ladungswechselarbeit - durch ein Nachöffnen des Auslassventiles während der Einlassphase gesteuert werden. Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Restgassteuerungseinrichtung eine variable Ventilsteuerungseinrichtung zur Veränderung der Auslasssteuerzeiten aufweist. Eine zusätzliche Kontrolle des Ladungstemperaturverlaufes kann da­ durch erreicht werden, dass die Einlasssteuerzeit und damit das effektive Kom­ pressionsverhältnis variabel veränderbar ist. Die variable Ventilsteuerungsein­ richtung zur Veränderung der Auslass- oder der Einlasssteuerzeit und zum Nach­ öffnen des Auslassventiles kann entweder als hydraulischer Steuerzusatz zu einer nockenwellengesteuerten Ventilsteuerung, oder als vollflexible variable Ven­ tilsteuerung auf hydraulischer oder elektromechanischer Basis ausgebildet sein.
Die Steuerung des Restgasgehaltes und der Menge an extern rückgeführtem Ab­ gas erfolgt über eine Steuereinheit, welche die Sollwerte für die Ladungstempe­ ratur und den Inertgasanteil in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern, wie Drehzahl, Kraftstoffmenge, Ansaugtemperatur, Ladedruck, Lastzustand, etc. vor­ gibt. Die Sollwerte können in einem Motorkennfeld abgelegt sein. Mittels der Sollwerte wird die erforderliche Restgasmenge und die Menge an extern rückge­ führtem Abgas bestimmt und die Ventilsteuerungseinrichtung sowie ein Abgas­ rückführventil der Abgasrückführeinrichtung entsprechend angesteuert.
Zusätzlich kann die Kontrolle des Ladungstemperaturverlaufes auch über einen im Einlassstrang angeordneten klappengesteuerten Abgaswärmetauscher erfol­ gen.
Die Steuerung der Ladungstemperatur und des Restgasgehaltes über variable Ventilsteuerzeiten kommt auch der Forderung entgegen, dass beide Größen be­ liebig schnell, das heißt von Zyklus zu Zyklus veränderbar sein müssen, um ei­ nen transienten Betrieb des Motors zu ermöglichen.
Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit beliebiger Anzahl an Zylindern 1 für hin- und hergehende Kolben 2. Die Brennkraftmaschine weist ein Einlasssystem 3 und ein Auslasssystem 4 auf. Vom Einlasssystem 3 ist eine Ein­ lassleitung 5 dargestellt, welche über mindestens ein Einlassventil 6 in den Brennraum 7 eines Zylinders 1 einmündet. Vom Brennraum 7 geht mindestens eine über ein Auslassventil 8 gesteuerte Abgasleitung 9 des Auslasssystemes 4 aus. Zwischen dem Auslasssystem 4 und dem Einlasssystem 3 ist ein externes Abgasrückführsystem 10 vorgesehen, welches die Abgasleitung 9 mit der Ein­ lassleitung 5 über eine Abgasrückführleitung 11 strömungsverbindet. In der Ab­ gasrückführleitung 11 ist ein Abgasrückführventil 12 sowie ein Abgaskühler 23 angeordnet, wobei der Abgaskühler 23 über eine Leitung 24 umgehbar ausgebil­ det sein kann. Mit 25 ist ein Schaltventil in der Leitung 24 bezeichnet. Um den Ladungstemperaturverlauf tue, im Brennraum 7 und damit den Verbren­ nungsablauf des homogenen, selbstzündenden Kraftstoff-Luftgemisches weitge­ hend unabhängig vom Inertgasgehalt steuern zu können, wird sowohl der Anteil des Restgases im Brennraum 7, als auch die Menge an rückgeführtem Abgas ge­ steuert. Durch die unabhängige Kontrolle des Inertgasgehaltes und des Tempe­ raturbedarfes können Verbrennungsbeginn und maximale Brennrate unabhängig voneinander gesteuert werden.
Die Kontrolle des Restgasgehaltes im Brennraum 7 erfolgt mittels einer Restgas­ steuerungseinrichtung 26 durch die Veränderung der Auslasssteuerzeit des oder der Auslassventile 8 über eine variable Ventilsteuerungseinrichtung 13. Der Restgasgehalt kann alternativ dazu auch durch ein Nachöffnen des Auslassventi­ les 8 während der Einlassphase gesteuert werden. Dies erfolgt ohne Erhöhung der Ladungswechselarbeit. Die variable Ventilsteuerungseinrichtung 13 kann ein hydraulischer Steuerzusatz einer nockenwellenbetätigten Ventilsteuerung oder eine vollflexible variable Ventilsteuerung auf hydraulischer oder elektromechani­ scher Basis sein.
Die Steuerung der Menge an rückgeführtem Abgas erfolgt über das Abgasrück­ führventil 12. Die Betätigung der Ventilsteuerungseinrichtung 13 und des Ab­ gasrückführventiles 12 erfolgt über die elektronische Steuereinheit ECU, in wel­ cher Sollwerte für die Ansaugtemperatur tLS und den Inertgasanteil für jeden Motorbetriebspunkt abgelegt sind. Kontinuierlich oder in diskreten Zeitabschnit­ ten werden die Ist-Werte für die Ansauglufttemperatur tL und den Inertgasanteil ermittelt. Entsprechend der Abweichung der Ist-Werte von den Sollwerten für den Inertgasanteil und die Ansauglufttemperatur tLS im Brennraum 7 werden Ab­ gasrückführventil 12 und Ventilsteuerungseinrichtung 13 in geeigneter Weise betätigt. Als Eingangsgrößen für die elektronische Steuereinheit ECU dienen ver­ schiedene Motorbetriebsparameter, beispielsweise aktuelle Ansauglufttemperatur tL, Abgastemperatur tA, Drehzahl n, Ladedruck pL, etc., wobei die Temperaturen tL und tA über Sensoren 14 und 16 ermittelt werden.
Als weiteres Mittel zur Steuerung des Ansaugtemperaturverlaufes tLA kann im Einlasssystem 3 ein thermisch mit dem Abgassystem 4 verbundener Abgaswär­ metauscher 17 vorgesehen sein, welcher über beispielsweise als Klappen 18, 19 ausgebildete Steuerventile aktivierbar oder deaktivierbar ist. Der Abgaswärme­ tauscher 17 ist sowohl auf der Seite des Einlasssystems 3, als auch auf der Seite des Auslasssystems 4 über Bypassleitungen 20, 21 umgehbar.
Ferner kann eine Einflussnahme auf den Ladungstemperaturverlauf tLA auch über eine Veränderung der Einlasssteuerzeiten der Einlassventile 6 über eine variable Ventilsteuerungseinrichtung 22 erfolgen. Diese kann als hydraulischer Steuerzu­ satz zu einer Ventilsteuerung mit Nockenwelle oder aber als vollflexible variable Ventilsteuerung auf hydraulischer oder elektromechanischer Basis ausgebildet sein.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche zumindest ei­ nen Betriebsmodus aufweist, in welchem die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung eines selbstzündbaren homogenen Kraftstoff-Luftge­ misches erfolgt und wobei der Inertgasanteil im Brennraum (7) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Sollwerte für die aktuelle Ansaug­ lufttemperatur (tLS) und den aktuellen Inertgasanteil in Abhängigkeit von aktuellen Motorparametern bestimmt werden, dass Ist-Werte für die aktu­ elle Ansauglufttemperatur (tL) und den aktuellen Inertgasanteil ermittelt werden und dass aufgrund der Abweichung der Ist-Werte von den Sollwer­ ten der Ladungstemperaturverlauf (tLA) und der Inertgasanteil sowohl durch Steuerung des Restgasgehaltes im Brennraum (7), als auch durch Steue­ rung der Menge von extern rückgeführtem Abgas eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steue­ rung des Restgasgehaltes der Schließzeitpunkt zumindest eines Auslass­ ventiles (8) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Restgasgehaltes das Auslassventil (8) während der Einlass­ phase nochmals geöffnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungstemperaturverlauf (tLA) zusätzlich über einen vorzugsweise durch mindestens eine Klappe (18, 19) gesteuerten Wärmetauscher, vor­ zugsweise einen im Einlasssystem angeordneten Abgaswärmetauscher (17) eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungstemperatur (tLA) zusätzlich über die Veränderung der Ein­ lasssteuerzeiten eingestellt wird.
6. Brennkraftmaschine, welche zumindest einen Betriebsmodus aufweist, in welchem die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung eines selbstzündbaren homogenen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt, mit einer Ein­ richtung zur Steuerung des Inertgasgehaltes im Brennraum (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Steuerung des Inertgasgehaltes eine externe Abgasrückführeinrichtung (10) und eine Restgassteuerungs­ einrichtung (26) aufweist und dass der Ladungstemperaturverlauf (tLA) und der Inertgasanteil durch Steuerung des Restgasanteiles und des Anteiles an extern rückgeführtem Abgas einstellbar ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgassteuerungseinrichtung (26) eine variable Ventilsteuerungseinrich­ tung (13, 22) zur Veränderung der Auslasssteuerzeit und/oder der Einlass­ steuerzeit aufweist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasssteuerzeit variabel veränderbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Einlasssystem (3) der Brennkraftmaschine ein Wärmtau­ scher, vorzugsweise ein Abgaswärmetauscher (17) angeordnet ist, welcher besonders vorzugsweise durch zumindest eine Klappe (18, 19) steuerbar ist.
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