DE102008061784A1

DE102008061784A1 - Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008061784A1
Application number: DE102008061784A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rodewald; Timo Averbeck; Florian Dr. Preuss; Stefan Rueth; Josef Holzmann; Franz Zellinger; Martin Ludwig Dr. Zitzmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: DE102008061784B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Reduzierung von Rohemissionen bei bestimmten Betriebsbedingungen der Otto-Brennkraftmaschine innerhalb eines Arbeitzyklus zusätzlich zur betriebspunktabhängigen Zündung des Verbrennungsgemisches zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach der betriebspunktabhängigen Zündung eine zweite Zündung des Corona-Zündsystems eingeleitet wird oder die betriebspunktabhängige Zünddauer der betriebspunktabhängigen Zündung verlängert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist.
Derzeit gibt es viele Bestrebungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei Teillast bei gleichzeitiger Beibehaltung extrem niedriger Schadstoffemissionen. Entdrosselte ottomotorische Schichtbrennverfahren zeigen dabei ein großes Potential hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung. Dabei wird im Schichtbrennverfahren bzw. Magerbetrieb die Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder erst kurz vor dem Zündzeitpunkt vorgenommen, so dass sich zum Zeitpunkt der Zündung trotz einer sehr geringen Menge an eingespritztem Kraftstoff ein zündfähiges Verbrennungsgemisch um die Zündkerze bildet. Da bei einer Entzündung des Verbrennungsgemisches mittels eines konventionellen Zündkerzen-Zündsystems die Entzündung durch einen Zündfunken, der sich zwischen der Elektrode und der Masse der Zündkerze ausbreitet, eingeleitet wird, muss die Zündkerze bei sehr kraftstoffarmen Verbrennungsgemischen zum richtigen Zeitpunkt und ggf. mit einer längeren Zünddauer gezündet werden. Die Zünddauer bei Zündkerzen-Zündsystemen ist jedoch aufgrund der notwendigen Energie zum Erzeugen des Zündfunken nur in engen Grenzen beeinflussbar. Die mittels Zündkerze erzeugte Flammenfront breitet sich von dort in den gesamten Brennraum aus. Die Umsetzungsgeschwindigkeit ist somit von der Flammengeschwindigkeit abhängig.
Neben den herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen werden derzeit neuartige Zündsysteme – sog. Corona-Zündsysteme entwickelt, bei denen das Verbrennungsgemisch nicht über einen Zündfunken, sondern durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas entflammt wird. Bei derartigen Corona-Zündsystemen wird bspw. über eine Tesla-Spule, die über eine Hochfrequenz-Wechselspannung in Resonanz versetzt wird, an der Elektrode im Brennraum eine so hohe Spannung erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches Feld im Brennraum erzeugt. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf die Molekühle im Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer Feldstärke werden an mehreren Stellen Elektronen aus den Molekülen herausgeschleudert. Es bilden sich Radikale, durch die eine chemische Kettenreaktion im Brennraum in Gang gebracht wird. Aufgrund des erzeugten nicht-thermischen Plasmas, welches weit in den Brennraum hineinragt, lässt sich die Brenndauer deutlich verkürzen. Dieser Verbrennungsprozess ist thermodynamisch deutlich besser als bei einer herkömmlichen Zündkerze. Ein Beispiel eines solchen Corona-Zündsystems ist aus der DE 10 2006 005 792 A1 bekannt.
Da die Verbrennung des Verbrennungsgemisches im Brennraum oft nur unvollständig erfolgt und somit Schadstoffemissionen aus dem Fahrzeug austreten können, werden heutzutage die Fahrzeuge mit einem Katalysator ausgestattet, der die schädlichen Abgasbestandteile in unschädliche Stoffe umwandelt. Für einen einwandfreien Betrieb des Katalysators muss dieser jedoch eine bestimmte Betriebstemperatur haben. Gerade in der Startphase bzw. bei kalten Bedingungen, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur zum Konvertieren von Emissionen noch nicht erreicht hat, müssen Maßnahmen getroffen werden, um eine Reduzierung der Emissionen möglichst schnell erreichen zu können.
Bei Motoren mit Direkteinspritzung sind bereits verschiedene Varianten zur Erhöhung der Abgastemperatur zum schnellen Aufheizen des Katalysators bekannt. Dazu kann bspw. eine gezielte Einspritzung von Kraftstoff und eine extrem späte Zündung des Verbrennungsgemisches vorgenommen werden. In der DE 10 2004 024 701 A1 wird noch ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators vorgestellt, bei dem innerhalb eines Arbeitsspiels nach der Entflammung einer für den Antrieb notwendigen Kraftstoffmenge ein zweites Mal Kraftstoff eingespritzt und verbrannt wird. Dabei wird vorgeschlagen, dass die Entflammung der zusätzlichen Kraftstoffmenge durch eine zusätzliche Entflammung einer Zündeinrichtung (Zündkerze) eingeleitet oder unterstützt wird. Da Zündkerzen-Zündsystemen nur einen sehr kleinen Raum entflammen können, ist das Einsatzgebiet der Zündkerze deutlich reduziert und ermöglicht kaum eine effektive Umsetzung bzw. Nachverbrennung im Auslasstakt.
Ein Verfahren zur Reduzierung von Emissionen, insbesondere von Rohemissionen bei Otto-Brennkraftmaschinen mit einem Corona-Zündsystem ist derzeit noch nicht bekannt. Aufgabe der Erfindung ist somit, ein entsprechendes Verfahren zur Reduzierung von Rohemissionen, zur Erhöhung der Konvertierungsrate des Katalysators durch Temperaturerhöhung sowie zur Verbesserung des Ansprechverhaltens einer Aufladeeinrichtung durch Enthalpieerhöhung bei Otto-Brennkraftmaschinen anzugeben, die mit einem Corona-Zündsystem ausgestattet sind, wobei das Verfahren speziell an derartige Zündsysteme angepasst sein soll.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und/oder 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für eine Otto-Brennkraftmaschine, insbesondere für eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff direkt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird, und ggf. mit einer Aufladeeinrichtung und einem Abgasnachbehandlungssystem bzw. einem Katalysator zur Reduzierung von Emissionen vorgesehen. Um das Verbrennungsgemisch entzünden zu können, muss ein Zündsystem vorgesehen sein, welches in Abhängigkeit vom ermittelten optimalen Zündzeitpunkt die Zündung des Verbrennungsgemisches veranlasst. Da herkömmliche Zündkerzen-Zündsystemen nur einen sehr kleinen Bereich entflammen können und somit die Verbrennung relativ langsam erfolgt, ist das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas ausgebildet. Dabei wird zum Entflammen des Verbrennungsgemisches am Ignitor bzw. an der Elektrode im Brennraum aufgrund einer Hochfrequenz-Wechselspannung eine derart hohe Spannung erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches Feld im Brennraum hervorruft. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf die Molekühle im Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer Feldstärke werden Elektronen aus den Molekülen herausgeschleudert. Es bilden sich Radikale, durch die eine chemische Kettenreaktion im Brennraum in Gang gebracht wird. Dieser Verbrennungsprozess ist thermodynamisch deutlich besser als bei einer herkömmlichen Zündkerze.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer derart ausgestalteten Otto-Brennkraftmaschine mit einem Corona-Zündsystem zur Reduzierung von Emissionen, insbesondere von Rohemissionen, zeichnet sich in einer ersten Alternative dadurch aus, dass bei bestimmten Betriebsbedingungen der Otto-Brennkraftmaschine innerhalb eines Arbeitszyklus zusätzlich zur betriebspunktabhängigen Zündung des Verbrennungsgemisches zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach der betriebspunktabhängigen Zündung eine zweite Zündung des Corona-Zündsystems eingeleitet wird. Dies bedeutet, dass nach der für den Betrieb der Otto-Brennkraftmaschine herkömmlichen Zündung des Verbrennungsgemisches eine zweite Zündung des Corona-Zündsystem vorgenommen wird, um eine Nachverbrennung des zuvor unvollständig verbrannten Verbrennungsgemisches einzuleiten. Da bei einer Corona-Zündung nahezu der gesamte Brennraum erfasst wird, werden bspw. auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe an weit entlegenen Brennraumpositionen durch die Zündung erfasst und umgesetzt. Des Weiteren ist das Mehrfachzünden eines Corona-Zündsystems innerhalb eines kurzen Zeitintervalls ohne Weiteres möglich, da das Zündsystem nicht – wie es bei einem Zündkerzen-Zündsystem der Fall ist – vorher aufgeladen werden muss. Vorteilhafterweise kann die zweite Zündung im Auslasstakt vorgenommen werden, sie ist aber auch in jedem anderen Takt eines 4- bzw. 2-Takt Motors möglich.
Vorteilhafterweise kann zusätzlich unmittelbar vor oder während der zweiten Zündung noch eine vorgegebene kleine Menge an Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden,. Dies ist insbesondere hinsichtlich der Einleitung bestimmter thermodynamischer Prozesse (wie z. B. einer Temperaturerhöhung zum Aufheizen des Katalysators oder einer Enthalpieerhöhung für eine Verbesserung des Turboladeransprechverhaltens) von Interesse. Somit können sonstige Emissionen besser reduziert werden.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch derart ausgestaltet sein, dass alternativ zur zweiten Zündung, die betriebspunktabhängige Zündung in ihrer Zünddauer verlängert wird, z. B. bis nach dem Auslasstakt. Da die Zünddauer bei einem Corona-Zündsystem bei entsprechender Hard warekonfiguration beliebig einstellbar ist, kann eine beliebige Verlängerung der Zünddauer vorgenommen werden. In Abhängigkeit der sich über den Kurbelwinkel ändernden Brennraumgeometrien werden über eine Funktion die optimalen Streamerlängen über die gesamte Zünddauer sichergestellt.
Nachfolgende vorteilhafte Ausgestaltungen können bei beiden Verfahren vorgenommen werden. So wird das erste dargestellte erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Reduzierung der Rohemissionen durch eine zweite Zündung erfolgen soll, und auch das zweite dargestellte Verfahren, bei dem die Zünddauer der betriebspunktabhängigen Zündung verlängert wird, Idealerweise bei Vorliegen von Kaltstartbedingungen vorgenommen. Alternativ oder zusätzlich kann die zweiten Zündung und/oder die verlängerte Zünddauer mit einer zweiten Einspritzung kombiniert werden und zu einer Temperatur- bzw. Enthalpieerhöhung des Abgases genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eines der beiden Verfahren (oder beide Verfahren) auch im Schubbetrieb der Otto-Brennkraftmaschine vorgenommen werden.
Idealerweise kann die Zünddauer der zweiten Zündung und/oder die verlängerte Zünddauer der betriebspunktabhängigen Zündung in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebs- oder Zustandsparametern der Otto-Brennkraftmaschine vorgegeben werden. Da die Brennraumgeometrie einen wesentlichen Einfluss auf die Corona-Zündparameter, wie z. B. die maximale Streamerlänge hat, muss bei die Ermittlung der Zünddauer der zweiten Zündung und/oder der verlängerten Zünddauer der betriebspunktabhängigen Zündung die Brennraumgeometrie, die bspw. durch die Zylinderstellung und/oder die Ausgestaltung des Brennraumdachs bestimmt ist, berücksichtigt werden, um die Reaktionsumsetzung zu erhöhen. Neben der Bestimmung der Zünddauer der zweiten Zündung und/oder der verlängerten Zünddauer der betriebspunktabhängigen Zündung kann die Zündenergie bzw. der Zündbereich, d. h. der Bereich, in dem sich das nicht-thermische Plasma augrund der sog. Corona-Streamerlänge bildet, variabel vorgegeben werden.
Diese können ebenfalls in Abhängigkeit von der Brennraumgeometrie und ggf. weiterer Parameter ermittelt werden. Somit kann eine optimale Brennraumausnutzung der Corona-Streamer und damit eine effektive Nachverbrennung und/oder Verbrennung sichergestellt werden.
Beide erfindungsgemäße Verfahren, sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen können mittels eines implementierten Algorithmus oder einer entsprechenden Baugruppenanordnung in einem dafür vorgesehenen Steuergerät, insbesondere in einem Motorsteuergerät umgesetzt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der beiden Verfahren gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich dadurch, dass beim Einsatz eines sog. Corona-Zündsystems ein deutlich größeres Umsetzungsgebiet als bei Zündkerzen-Systemen erfasst bzw. gezündet werden kann. Bei einer Corona-Zündung wird nahezu der gesamter Brennraum erfasst und die Wirksamkeit einer effektiven Nachverbrennung bspw. im Auslasstakt ist dadurch erstmals gegeben. Des Weiteren sind mehrere Parameter, wie Zünddauer und Streamerlänge nahezu vollkommen variabel durch einen Algorithmus steuerbar. So kann die Wirksamkeit der Nachverbrennung bzw. die Nachzündung zur Reduzierung von Rohemissionen deutlich erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006005792 A1 [0003]
- DE 102004024701 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung von Rohemissionen bei bestimmten Betriebsbedingungen der Otto-Brennkraftmaschine innerhalb eines Arbeitszyklus zusätzlich zur betriebspunktabhängigen Zündung des Verbrennungsgemisches zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach der betriebspunktabhängigen Zündung eine zweite Zündung des Corona-Zündsystems eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zündung während des Auslasstakts des aktuellen Arbeitszyklus eingeleitet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor oder während der zweiten Zündung zusätzlich eine vorgegebene Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungs gemisch mittels eines Zündsystems zum vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung von Rohemissionen bei bestimmten Betriebsbedingungen der Otto-Brennkraftmaschine die betriebspunktabhängige Zünddauer der betriebspunktabhängigen Zündung verlängert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zündung und/oder die betriebspunktabhängige Zündung mit verlängerter Zünddauer bei Vorliegen von Kaltstartbedingungen und/oder im Schubbetrieb eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Zündung und/oder die verlängerte Zünddauer mit einer zweiten Einspritzung kombiniert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verlängerung der Zünddauer der ersten Zündung die Parameter der Corona-Zündung in Abhängigkeit von der Brennraumgeometrie variabel vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumgeometrie durch die Zylinderstellung und/oder die Ausgestaltung des Brennraumdachs bestimmt wird.