-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Wechsel zwischen einem Fremdzündungsbetrieb und einem Kompressionszündungsbetrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
-
In einer Hubkolbenbrennkraftmaschine begrenzt in jedem Zylinder ein längsbeweglich angeordneter Kolben einen Brennraum, in dem ein Gemisch aus Kraftstoff und sauerstoffhaltigem Frischgas verbrannt wird. Zur Zuführung von Frischgas und Abführung der Verbrennungsabgase sind Einlasskanäle und Auslasskanäle vorgesehen, deren Gaswechselventile zur Durchführung des zyklischen Ladungswechsels von einem Ventiltrieb angesteuert werden.
-
Bei einer Betriebsart mit Fremdzündung wird das im Brennraum gebildete Kraftstoffgemisch von dem Zündfunken einer in den Brennraum des jeweiligen Zylinders einragenden Zündkerze gezündet. Die Fremdzündung nach dem Otto-Prinzip sieht ein stöchiometrisches Kraftstoffgemisch vor, bei dem die zur Gemischbildung erforderliche Frischgasmenge durch Drosselung im Einlasskanal bereitgestellt wird. Daneben ist eine als Kompressionszündung oder auch Raumzündung genannte Betriebsart der Brennkraftmaschine bekannt, bei der durch gezielte Anhebung der Brennraumtemperatur das gebildete Kraftstoffgemisch zur Selbstzündung gebracht wird. Bei dieser Betriebsart, bei der das Frischgas ungedrosselt zugeführt werden kann, wird ein besserer Wirkungsgrad der Kraftstoffverbrennung erreicht als beim ottomotorischen Betrieb, und darüber hinaus werden weniger Stickoxide gebildet. Der Betrieb mit Kompressionszündung ist jedoch aus verschiedenen Gründen auf den Teillastbereich der Brennkraftmaschine zu beschränken. Zum einen sind die mit steigender Last aufgrund der Druckanstiege lauter werdenden Verbrennungsgeräusche bei Motoren für Kraftfahrzeuge nicht hinnehmbar. Des Weiteren steigt die Stickoxidemission bei der Verbrennung magerer Luft-/Kraftstoffgemische im Kompressionszündungsbetrieb bei höheren Lasten auf ein Maß, welches eine äußerst aufwendige Abgasnachbehandlung erforderlich machen würde. Schließlich ist zu berücksichtigen, dass die im Kompressionszündungsbetrieb erforderliche Temperaturanhebung im Brennraum durch Abgasrückhaltung erreicht wird und die Beimischung von Verbrennungsabgasen bei hohen Lasten zu so genannten Lambda-Grenzen führen. Um der Anforderung an einen Fahrzeugmotor zu genügen, den gesamten notwendigen Last- und Drehzahlbereich abzudecken, ist bei höheren Betriebslasten der ottomotorische Betrieb vorgesehen. Es ist daher entsprechend der angeforderten Betriebslast ein Wechsel der Betriebsart zwischen Fremdzündungsbetrieb und Kompressionszündungsbetrieb in unteren Lastbereichen erforderlich.
-
Die
DE 199 23 413 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer im Viertakt arbeitenden Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wechselnder Kompressions- und Fremdzündung bei Volllast und stöchiometrischer Gemischbildung, bei dem die Abgasrückhaltung zur Begünstigung der Selbstzündung durch eine schaltbare Ventilunterschneidung und gleichzeitigem Abgasaufstau durch eine Abgasklappe erfolgen soll. Der Wechsel zwischen Ventilunterschneidung und Ventilüberschneidung, d. h. dem Umschalten zwischen den Steuerzeiten der Gaswechselventile im Kompressionszündbetrieb und im Fremdkzündungsbetrieb erfolgt durch Verschieben einer Nockenwelle, wodurch die Phasenlage der Öffnungsvorgänge verändert wird. Zum Wechsel der Betriebsart muss das bekannte Verfahren eine Vielzahl von Betriebsparametern erfassen, nämlich die Abgasrückhaltung, die Drosselung der Frischladung sowie die Größe des Zündwinkels im Fremdzündungsbetrieb und der Menge und dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung sowie schließlich auch eine Abgasrückführungsrate. Alle Stellmittel für diese beim Wechsel der Betriebsart zu berücksichtigenden Parameter sollen im Betrieb mit der jeweiligen Betriebsart aufeinander abgestimmt werden. Da diese Stellgrößen in ihrer Vielzahl beim Wechsel der Betriebsart nicht beherrschbar sind, soll sich bei dem bekannten Verfahren der Wechsel der Betriebsart über mehrere Arbeitszyklen erstrecken, wobei zunächst die Verschiebung der Nockenwelle vorgesehen ist und anschließend das Schließen bzw. öffnen der Drosselklappe und der Abgasstauklappe erfolgen soll. Dabei ist die Kraftstoffeinspritzung während des Wechsels der Betriebsart abzuschalten.
-
In ähnlicher Weise sieht die
US 6,336,436 B1 bei einem Wechsel der Betriebsart zwischen Fremdzündungsbetrieb und Kompressionszündungsbetrieb eine Veränderung der Phasenlage der Gaswechselventile zur Realisierung erhöhter Abgasrückhaltung im Brennraum zur Kompressionszündung vor, wobei im Kompressionszündungsbetrieb der Schließzeitpunkt des Auslassventils gegenüber dem Fremdzündungsbetrieb in Richtung ”Spät” verschoben werden soll. Gleichzeitig wird der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils vorgezogen, so dass sich die geforderte Ventilunterschneidung ergibt. Ein Wechsel der Betriebsarten soll sich über mehrere Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine erstrecken, wobei ein Übergangsbetrieb vorgesehen ist, in dem die Einspritzzeiten einer direkten Kraftstoffeinspritzung variiert werden sollen und die Kraftstoffeinspritzung während des Einlasstaktes bei geschlossenem Einlassventil vorgesehen ist. Die besondere Vorgehensweise beim Übergangsbetrieb wird als zwingend angesehen, um einen langen Übergangsbetrieb zu ermöglichen, um Klopferscheinungen der Brennkraftmaschine beim Umschalten der Betriebsart entgegenzuwirken.
-
Die
DE 101 22 775 A1 beschreibt einen hybriden Motor mit wechselnder Kompressionszündung und Funkenzündung, bei dem für Einlassventile und Auslassventile jeweils eine Nockenwelle vorgesehen ist und welcher eine variable Nockenwellen-Zeitsteuerung aufweist zur Umschaltung der Steuerzeiten der Gaswechselventile. Dabei soll die Zeitsteuerung beider Nockenwellen so ausgebildet sein, dass große Veränderungen der Ventilüberlappungen hergestellt werden können und erreicht wird, dass im Kompressionszündungs-Modus eine solch große Ventil-Überlappung vorhanden ist, dass das Einlassventil öffnet, bevor das Auslassventil schließt. Die Steuerzeiten werden bei dem bekannten Motor durch Veränderungen der Phasenlagen der Öffnungsereignisse der Gaswechselventile hergestellt.
-
Die
DE 103 48 138 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine in höheren Lastbereichen mit Fremdzündung und in unteren bis mittleren Lastbereichen mit Kompressionszündung betrieben wird. Bei einem Wechsel der Betriebsarten werden insbesondere die von einem Nockenventiltrieb gesteuerten Einlass- und Auslassventile gesteuert. Hierbei werden der Öffnungshub und die Phasenlage wenigstens eines Gaswechselventils in abgestimmter Weise verändert. Bei einem Wechsel der Betriebsarten werden eine zusätzliche Steuerung des Brennbeginns durch eine Kraftstoffeinspritzstrategie, sowie eine Einstellung der jeweils erforderlichen Luftverhältnisse im Brennraum mittels Einstellung einer Drosselklappe bei einem Wechsel der Betriebsarten offenbart.
-
Die
DE 198 18 596 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, die in einem Verbrennungsmodus mit Fremdzündung oder einem Verbrennungsmodus mit Kompressionszündung betrieben werden kann. In Abhängigkeit vom Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine wird ein bestimmter Verbrennungsmodus, Nockenformen zur Einstellung von Ventilhubkurven, sowie Einspritzparameter und Drosselklappenstellungen vorgegeben.
-
Die
EP 1 052 391 B1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, die mit Fremdzündung oder mit Kompressionszündung betrieben werden kann. Dabei wird während der Kompressionszündung die Kraftstoffeinspritzung mit fallender Last später ausgeführt.
-
Das Dokument Ottomotor-Management. Wiesbaden: Vieweg-Verlag, 2. Auflage, 2003, Seiten 52 bis 54, offenbart Vorrichtungen und Verfahren zum Erzielen von variablen Ventilsteuerzeiten und -Hüben.
-
Um sowohl die für die Kompressionszündung erforderliche Abgasrückhaltung durch Ventilunterschneidung zu erzeugen als auch im Fremdzündungsbetrieb eine kleine Ventilüberschneidung bei der Steuerung der Gaswechselventile bereitzustellen und so über den gesamten Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zwei Brennverfahren einzusetzen, wird nach den bekannten Vorschlägen ein voll variabler Ventiltrieb vorgesehen, welcher mechanisch, elektromechanisch oder elektrohydraulisch betrieben wird. Solche voll variablen Ventiltriebe sind jedoch mit hohen Kosten verbunden.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Wechsel zwischen einem Fremdzündungsmodus und einer Betriebsart mit Kompressionszündung zu schaffen, mit dem bei möglichst geringem baulichen Aufwand ein Wechsel der Betriebsarten mit hoher Laufgleichförmigkeit der Brennkraftmaschine und optimalen Abgasemissionen auch bei Lastsprüngen beim Betriebsartwechsel erreicht wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, beim Wechsel der Betriebsart zwischen Fremdzündungsbetrieb und Kompressionszündungsbetrieb die Veränderungen der Einspritzparameter, der im Ottobetrieb erforderlichen Drosselung sowie der Ventilsteuerung aufeinander abzustimmen, wobei die Ventilsteuerung durch Veränderung der Amplitude und der Phasenlage des Ventilhubes umgeschaltet wird. Es hat sich gezeigt, dass durch Veränderung der Amplitude und der Phasenlage sowohl lastneutrale Umschaltungen als auch Lastsprünge beim Betriebsartwechsel ohne merkbare Beeinträchtigung der Laufgleichförmigkeit der Brennkraftmaschine darstellbar sind. Die Veränderung der Amplitude und der Phasenlage des Ventilhubes kann mit einem voll variablen Ventiltrieb durchgeführt werden, beispielsweise einem mechanischen, elektromechanischen oder elektrohydraulischen Nockenventiltrieb. Jedoch kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einfacheren Ventiltrieben durchgeführt werden, mit denen die Amplitude und die Phasenlage umschaltbar sind und zur Darstellung optimaler Betriebsartwechsel die Veränderungen der Einspritzparameter und der Drosselung aufeinander abgestimmt werden.
-
Vorteilhaft wird die Amplitude des Ventilhubes durch Auswechslung zweier alternativ einsetzbarer Nockenkonturen des Ventiltriebes verändert, wobei für jede Betriebsart ein anderer Ventilhub eingesetzt wird. Für die Umschaltung der alternativ einsetzbaren Nockenkonturen kann vorteilhaft ein Tassenstößel eingesetzt werden oder alternativ ein Schaltschlepphebel vorgesehen sein. Ein teilvariabler Nockenventiltrieb zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einfachen baulichen Mitteln verfügt zur Veränderung der Phasenlage des Öffnungshubes über Phasensteller an der bzw. den Nockenwellen. Dabei kann bei Verbrennungsmotoren mit zwei Nockenwellen sowohl einlass- als auch auslassseitig eine Veränderung der Ventilüberschneidung durch alternative Nockenkonturen erreicht werden.
-
Bei einem Wechsel der Betriebsarten werden entsprechend der angeforderten Betriebslast der Brennkraftmaschine die Einspritzparameter verändert, wobei bei einem Wechsel zum Kompressionszündbetrieb die Einspritzdauer einer Haupteinspritzung reduziert und im ersten Arbeitsspiel des Zylinders mit Kompressionszündung der Einspritzzeitpunkt in Richtung spätere Einspritzung verschoben wird. Das transiente Verhalten des mit einer Drosselklappe gedrosselten Fremdzündverfahrens beeinträchtigt den Umschaltvorgang nur unwesentlich und die schnelle Verstellbarkeit der Drosselklappe und eine schnelle Antwort des Saugrohrdrucks ermöglichen die Begrenzung des Umschaltvorganges auf wenige Zyklen. Zweckmäßig wird beim Umschalten auf Kompressionszündbetrieb eine Voreinspritzung ausgesetzt und erst wenige Zyklen nach dem Erfolgen der Umschaltung wieder zugeschaltet. Es hat sich gezeigt, dass die sehr rasch ausführbaren Maßnahmen der Anpassung der Einspritzmenge und der Öffnung der Drosselklappe beim Umschalten auf Kompressionszündbetrieb einen stabilen Betrieb in den ersten Arbeitsspielen bereitstellt. Auch wenn mechanische Stelleinrichtungen zur Umschaltung des Ventiltriebs mit vergleichsweise geringen Verstellgeschwindigkeiten arbeiten und daher zunächst nur geringe Abgasrückhalteraten bereitstehen, kann die zur Selbstzündung erforderliche Abgastemperatur durch das vom ottomotorischen Betrieb heiße Abgas erreicht werden.
-
Bei Kompressionszündungsbetrieb reagiert der Verbrennungsvorgang sensibel auf Temperaturveränderungen der Ansaugluft und wird auch maßgeblich von der Temperatur des zurückgehaltenen Verbrennungsabgases beeinflusst. Die relativ heißen Verbrennungsabgase des vorausgehenden Fremdzündungsbetriebes können eine zu frühe und zu schnelle Verbrennung des Gemisches im Kompressionszündungsmodus verursachen und dem kann durch abstimmende Steuermaßnahmen über das Drosselorgan entgegengewirkt werden. Daneben kann nach dem Entfall der Voreinspritzung beim Betriebsartenwechsel eine späte Kraftstoffeinspritzung zur Reduzierung des Druckanstieges zweckmäßig sein.
-
Bei einem Umschalten vom Fremdzündungsmodus mit hoher Last zum Kompressionszündbetrieb mit geringerer Last wird zur Reduzierung des maximalen Druckradianten im Brennraum zunächst die Last auf das einzustellende Lastniveau abgesenkt und anschließend der Betriebsartenwechsel durchgeführt.
-
Bei einem Wechsel vom Kompressionszündungsbetrieb zum Fremdzündungsmodus wird vorgeschlagen, den folgenden Umschaltmaßnahmen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise einige Arbeitsspiele vorausgehend die Drosselung des Frischgasstroms zu schließen. Durch Schließung der Drosselklappe wird der Saugrohrdruck schon im Kompressionszündbetrieb verringert und damit das Gemisch angefettet. Nach Umschalten der Einspritzparameter kann die Brennkraftmaschine für einige Zyklen im ottomotorischen Betrieb mit kleinem Einlassventilhub und spätem Öffnen des Einlassventils betrieben werden und so die notwendige Verbrennungsstabilität beim Übergang gewährleistet werden. Vorteilhaft wird die Drosselung etwa fünf Arbeitsspiele vor der Veränderung der Einspritzparameter eingeleitet. Im mageren Ottobetrieb mit geringem Ventilhub wird das Gemisch soweit angefettet, daß eine lastneutrale Umschaltung der Betriebsarten mit stabiler Verbrennung ermöglicht ist. Dabei wird die Haupteinspritzdauer entsprechend konstanter Last angepasst und entsprechend dem höheren Kraftstoffbedarf bei fremdgezündeter Verbrennung mehr Kraftstoff zugemessen.
-
Bei einer Umschaltung der Betriebsarten vom Kompressionszündungsmodus zur Fremdzündung mit Lasterhöhung wird eine rasche Umschaltung mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht, indem die Drosselung des Ansaugluftstroms eingeschaltet wird und bereits nach wenigen Zyklen die Fremdzündung in Richtung ”früher” Zündung verstellt wird. Da beim Wechsel mit Lasterhöhung gegenüber lastneutraler Umschaltung geringere Differenzen im Saugrohrdruck auftreten, können sich die Anspassungsmaßnahmen während des Umschaltvorganges auf die Verstellung der Drosselung und die Einspritzmenge beschränken, wobei auch aufgrund der Fremdzündung der Zündzeitpunkt einzustellen ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine;
-
2 eine graphische Darstellung der Amplituden und der Öffnungshübe der Gaswechselventile;
-
3 in graphischer Darstellung den Verlauf charakteristischer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine beim Umschaltvorgang vom Fremdzündungsbetrieb zum Kompressionszündbetrieb;
-
4 in graphischer Darstellung den Verlauf der Betriebsparameter während des Umschaltvorganges vom Kompressionszündbetrieb zum Fremdzündbetrieb.
-
1 zeigt eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1, in deren Zylindern 2 jeweils ein Hubkolben 3 längsbeweglich angeordnet ist und einen Brennraum 4 begrenzt, welcher von einem auf dem Zylinder 2 aufgesetzten Zylinderkopf 5 abgeschlossen ist. In dem Zylinderkopf 5 sind mindestens ein Einlasskanal 13 und ein Auslasskanal 14 ausgebildet, wobei durch den Einlasskanal 13 sauerstoffreiches Frischgas zugeführt wird zur Bildung eines brennbaren Kraftstoff-/Luftgemisches. Durch den Auslasskanal 14 werden nach jeder Verbrennung die Verbrennungsabgase aus dem Brennraum abgeführt. Der zyklische Ladungswechsel im Zylinder 2 wird von Gaswechselventilen 6, 7 gesteuert, welche von einem Nockenventiltrieb 26 zwangsgesteuert werden. Die Ventilstöße der Gaswechselventile 6, 7 werden von der Nockenkontur 27 des Nockentriebes 26 betätigt, welche von einer Nockenwelle 29 angetrieben werden. Dabei wird zweckmäßig den Einlassventilen 6 und den Auslassventilen 7 jeweils eine Nockenwelle 29 zugeordnet.
-
Zwecks Kraftstoffzumessung ist in jedem Zylinderkopf 5 ein Direkteinspritzventil 10 angeordnet, welches einen Brennstoffstrahl 11 direkt in den Brennraum 4 abgibt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Saugrohrinjektor 12 vorgesehen, welcher optional Kraftstoff in den Einlasskanal 13 abgibt. Durch Saugrohreinspritzung kann homogenes Kraftstoff-/Luftgemisch durch den Einlasskanal in den Brennraum 4 zugeführt werden und insbesondere in höheren Betriebslasten beide Injektoren gleichzeitig zur Zumessung einer größeren Kraftstoffmenge eingesetzt werden. Das Direkteinspritzventil 10 und der Saugrohrinjektor 12 werden von Kraftstoffleitungen 15, 16 von einer Kraftstoffpumpe 18 gespeist, welche über eine Vorlaufleitung 17 aus einem Kraftstofftank 20 versorgt ist. Insbesondere bei Ausgestaltung der Kraftstoffpumpe 18 als Hochdruckpumpe ist die Anordnung einer Vorförderpumpe 19 in der Vorlaufleitung 17 zweckdienlich. Das Direkteinspritzventil 10 ist über eine Signalleitung 23 und der Saugrohrinjektor 12 über eine Signalleitung 22 mit der Ausgangsseite einer Reglereinheit 9 verbunden, welche in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine die Kraftstoffzumessung einstellt und entsprechende Einspritzbefehle über die Signalleitung 22, 23 abgibt. Zur Ermittlung des jeweils vorliegenden Betriebspunktes der Brennkraftmaschine werden der Reglereinheit laufend gemessene Informationen über die Betriebslast L und die Drehzahl n oder andere Betriebsparameter eingegeben.
-
Die Brennkraftmaschine wird in höheren Lastbereichen der Brennkraftmaschine mit Fremdzündung betrieben, wobei ein stöchiometrisches Kraftstoff-/Luftgemisch durch den Zündfunken einer im Zylinderkopf 5 angeordneten und mit ihren Elektroden in den Brennraum 4 einragenden Zündkerze 8 gezündet wird. Den Zündzeitpunkt bestimmt die Reglereinheit 9, welche über eine Steuerleitung 30 mit der Zündkerze 8 verbunden ist. Im Fremdzündungsbetrieb wird der Frischgasmassenstrom mittels einer im Einlasskanal 13 angeordneten Drosselklappe 24 auf das dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine entsprechende Maß gedrosselt, wobei der Einstellwinkel der Drosselklappe 24 über eine Steuerleitung 25 von der Reglereinheit 9 bestimmt wird.
-
In unteren und mittleren Lastbereichen der Brennkraftmaschine ist ein Kompressionszündungsbetrieb vorgesehen, bei dem der Frischgasmassenstrom ungedrosselt oder nahezu ungedrosselt in den Brennraum 4 geführt wird und im Brennraum ein mageres Kraftstoffgemisch zur Selbstzündung gebracht wird. Der Kraftstoff wird dabei von dem Direkteinspritzventil 10 vorzugsweise saugsynchron und vor ZOT eingespritzt. Die Selbstzündung des Kraftstoffgemisches wird durch eine Temperaturanhebung im Brennraum mittels Abgasrückhaltung herbeigeführt. Die Abgasrückhaltung erfolgt durch eine Veränderung der Ventilsteuerzeiten gegenüber dem Fremdzündungsbetrieb, wobei eine größere Ventilüberschneidung der Steuerzeiten der Gaswechselventile herbeigeführt wird. Die Einstellung der Steuerung der Gaswechselventile 6, 7 wird dabei derart eingestellt, dass die Brennraumtemperatur infolge des zurückerhaltenen Abgases ansteigt und eine Selbstzündung der durch die Kompression durch den Kolben 3 erwärmten Gemischladung erfolgen kann.
-
Erfindungsgemäß ist der Nockenventiltrieb 26 derart ausgebildet, dass im Fremdzündungsbetrieb und im Kompressionszündbetrieb unterschiedliche Amplituden und Phasenlagen des Ventilhubes der Gaswechselventile 6, 7 eingestellt werden können. Eine baulich einfache und kostengünstige Lösung zur Umschaltung der Amplitude und der Phasenlage des Ventilhubes ist ein teilvariabler Nockenventiltrieb, welcher über zwei alternativ einsetzbare Nockenkonturen 27 mit unterschiedlichen Amplituden des Ventilhubes verfügt. Als Schaltelement für die alternativen Nockenkonturen 27 ist ein schaltbarer Tassenstößel oder auch ein Schaltschlepphebel vorgesehen. Die Phasenlage des Öffnungshubes wird durch Phasensteller an einer das betreffende Gaswechselventil 6, 7 steuernden Nockenwelle 29 verändert. Die Umschaltung der Ventilsteuerung beim Wechsel der Betriebsarten zwischen Kompressionszündung und Fremdzündungsmodus wird von der Steuereinheit 9 über eine Signalleitung 28 veranlasst. Die Steuereinheit 9 verfügt über einen Kennfeldspeicher 21, aus dem die Einstellparameter entsprechend der vorliegenden Betriebsart für die von ihr beherrschten Stellorgane bedarfsweise entnommen werden.
-
2 zeigt in graphischer Darstellung den Verlauf der Öffnungshübe des Einlassventils EV und des Auslassventils AV für den fremdgezündeten Ottobetrieb und für den Kompressionszündungsbetrieb RZV. Dabei ist erkennbar, dass sowohl die Phasenlage im Kurbelwinkelbereich nach dem oberen Totpunkt des Kolbenhubes verschoben werden kann und außerdem der Ventilhub variierbar ist. Die Abstimmung der vom Nockenventiltrieb beim Betriebsartwechsel einstellbaren Parameter der Phasenverstellung und des Ventilhubes mit den beim Betriebsartwechsel umgestellten Parametern mit Auswirkung auf den Verbrennungsvorgang, nämlich die Einspritzparameter und die Drosselung sowie die Ein- und Ausschaltung der Fremdzündung wird nachstehend anhand der Zeichnungen 3 und 4 näher erläutert.
-
3 zeigt in graphischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Einspritzparameter der Drosselklappe sowie der Umstellung des Nockenventiltriebs bei einer Umschaltung des Verbrennungsmodus vom fremdgezündeten Ottobetrieb zum Kompressionszündungsbetrieb RZV. Die Haupteinspritzdauer wird entsprechend der Lastanforderung im Kompressionszündbetrieb angepasst. Die Verbrennung im Kompressionszündbetrieb weist einen besseren Wirkungsgrad auf als die ottomotorische Verbrennung, so dass bei einem lastneutralen Betriebsartwechsel die Einspritzmenge verringert wird. Die Haupteinspritzdauer wird dabei entsprechend angepasst. Dabei wird der Einspritzzeitpunkt im ersten Arbeitsspiel im Kompressionszündungsbetrieb nach dem Betriebsartwechsel in Richtung spätere Einspritzung verstellt, um die Brenngeschwindigkeit zu reduzieren. Eine Voreinspritzung wird erst einige Arbeitsspiele erfolgter Umschaltung zugeschaltet. Beim Betriebsartwechsel wird die Phasenlage des Öffnungshubes des Auslassventils von ihrer mit spätem Schließen verbundenen Stellung im Fremdzündungsbetrieb erst nach dem Betriebsartwechsel auf den stationären Kompressionszündungsbetrieb vorgesehenen Wert gestellt. Auch wenn aufgrund der vergleichsweise geringen Verstellgeschwindigkeit des umschaltbaren Nockenventiltriebs die Verstellung gemäß der gestrichelt dargestellten graphischen Linie der Messung von der Verstellung abweicht, hat sich gezeigt, dass das im fremdgezündeten Betrieb heiße Abgas ausreicht, trotz niedriger Abgasrückhalteraten das für die Selbstzündung erforderliche Temperaturniveau zu erreichen.
-
Der Umschaltvorgang vom Fremdzündungsbetrieb zum Kompressionszündungsbetrieb wird vom transienten Verhalten des gedrosselten Ottobetriebs vernachlässigbar beeinträchtigt. Die sehr schnelle Verstellbarkeit der Drosselklappe und die rasche Änderung des Saugrohrdrucks bei Öffnung der Drosselklappe ermöglichen eine rasche Umschaltung. Die Veränderungen der Einspritzparameter und des Nockenventiltriebs sowie der Drosselklappenstellung kann innerhalb eines Zeitraumes von lediglich fünf Zyklen erfolgen. Durch die Verschiebung des Haupteinspritzzeitpunktes in Richtung ”spät” und Variation der Drosselklappenstellung kann eine stabile Verbrennung im Übergangsbetrieb während der fünf modifizierten Zyklen erreicht werden und einer Frühzündung oder zu schnellen Verbrennung des Gemisches im Kompressionszündungsmodus entgegengewirkt werden und der sensiblen Reaktion der Verbrennung im Kompressionszündmodus auf Temperaturveränderungen der angesaugten Luft und des zurückgehaltenen Restgases Rechnung getragen werden. Die späte Haupteinspritzung und gegebenenfalls eine Nacheinspritzung reduzieren die Druckanstiege beim Wechsel der Betriebsarten zum Kompressionszündmodus, wodurch überhöhte Zylinderdrucke und Klopfneigung ausgeschaltet sind.
-
Bei einem Wechsel vom Fremdzündungsbetrieb zum Kompressionszündungsbetrieb mit Verringerung der Betriebslast ist vorgesehen, zunächst die Betriebslast im fremdgezündeten Modus auf das neu einzustellende Lastniveau zu reduzieren und anschließend einen lastneutralen Umschaltvorgang nach den vorstehenden Ausführungen durchzuführen. Die Reglereinheit 9 bestimmt die Anzahl der fremdgezündeten Zyklen vor dem Wechsel der Betriebsart in Abhängigkeit der Betriebslast im vorausgehenden ottomotorischen Betrieb und berücksichtigt die Temperatur der Brennkraftmaschine.
-
4 zeigt in graphischer Darstellung den bei Betriebsartwechsel veränderbaren Parameter der Brennkraftmaschine beim Wechsel vom Kompressionszündungsbetrieb zum Fremdzündungsmodus. Dabei wird zunächst die Drosselklappe im Einlassbereich geschlossen und somit der Druck im Einlasskanal reduziert und auch das Gemisch im Brennraum angefettet. Das Schließen der Drosselklappe erfolgt einige Zyklen vor dem vorgesehenen Wechsel der Betriebsart, wobei die Anzahl der Zyklen abhängig ist vom Saugrohrvolumen zwischen Drosselklappe und Einlassventilen der Brennkraftmaschine sowie der Anzahl der angeschlossenen Zylinder und somit von der Konstruktion der Brennkraftmaschine. Zum Wechsel der Betriebsart wird die Amplitude und der Ventilhub der Gaswechselventile auf das für den ottomotorischen Betrieb vorgesehene Maß verstellt. Dabei ist beim Wechsel zum Fremdzündungsmodus ein Übergangsbetrieb vorgesehen, bei dem ein fremdgezündeter Betrieb mit kleiner Amplitude und später Phasenlage des Einlassventilhubs vorgesehen ist, wodurch sich ein magerer ottomotorischer Betrieb mit hoher Verbrennungsstabilität ergibt. Die dem Übergangsbetrieb mit kleinem Öffnungshub des Einlassventils vorausgehende Schließung der Drosselklappe stellt sicher, dass auch im ottomotorischen Übergangsbetrieb ein gedrosselter Frischgasstrom vorliegt.
-
Bei einem Umschalten vom Kompressionszündungsbetrieb zum ottomotorischen Betrieb mit Lasterhöhung kann die Dauer des Umschaltvorganges reduziert werden, da bei größerer Last eine größere Menge des Kraftstoff-/Luftgemisches benötigt wird und die Anzahl der Arbeitsspiele mit geschlossener Drosselklappe reduziert werden kann. Die ersten Zyklen mit fremdgezündeter Verbrennung erfolgen mit magerem Gemisch und die einsetzende Fremdzündung durch die Zündkerze wird in Richtung früher Zündung gestellt. Beim Wechsel der Betriebsart wird die eingespritzte Kraftstoffmenge in den ersten ottomotorischen Zyklen gegenüber stöchiometrisch ottomotorischer Verbrennung reduziert, um dem besseren Wirkungsgrad bei mageren Gemischen Rechnung zu tragen.
