DE102009016668A1

DE102009016668A1 - Brennverfahren für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009016668A1
Application number: DE102009016668A
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Mwi Micro Wave Ignition Ag De
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: DE102009016668B4

Abstract

Ein Brennverfahren für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder in dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird um einen Koben anzutreiben, weist die folgenden Merkmale auf: - der oder die Zylinder werden, für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors, stets voll befüllt, - die Befüllung des oder der Zylinders weist einen relativ hohen Anteil an Restgas (30) auf, - das Luftverhältnis λ ist, für nahezu alle Lastfälle des Verbrennungsmotors, größer als 1, sowie - die Fremdzündung ist als Raumzündung ausgeführt, die an nahezu allen zündfähigen Stellen der Befüllung des Zylinders stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor sowie einen entsprechenden Verbrennungsmotor. Dabei wird ein Gemisch aus einem Kohlenwasserstoff-basierten brennbaren Kraftstoff, wie beispielsweise Ottokraftstoff, (Bio-)diesel oder Methanol, zusammen mit Frischluft und Restgas (Abgas) in einem Brennraum durch Zuführung von Energie fremd gezündet. Der Brennraum wird beispielsweise durch einen Zylinder des Verbrennungsmotors und einen darin befindlichen Kolben gebildet. Durch die Verbrennung des Gemisches steigt der Druck im Brennraum stark an und wirkt auf den Kolben. Durch die Bewegung des Kolbens kann dann ein Kraftfahrzeug angetrieben werden, das den Verbrennungsmotor umfasst. Dabei kann die Last des Verbrennungsmotors, und damit die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges, beispielsweise durch die Stellung eines Gaspedals vom Fahrer des Kraftfahrzeuges vorgegeben werden.
Üblicherweise wird zur Zündung des Gemisches im Brennraum eine Zündkerze verwendet. Zudem ist es bekannt, zur Zündung auch Hochfrequenzstrahlung wie z. B. Mikrowellen zu verwenden. Hierzu schlägt die EP 1 444 434 B1 vor, über wenigstens zwei im Brennraum vorgesehene Hochfrequenz-Einkoppelelemente die erforderliche Energie zur Zündung im Brennraum derart zu erzeugen, dass die von den beiden Hochfrequenz-Einkoppelelementen abgegebenen Hochfrequenzwellen überlagert werden.
Aus der DE 195 01 386 C2 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, der keine Drosselklappe aufweist. Der Ladungswechsel wird vielmehr durch variable Ansteuerung des bzw. der Einlassventile sowie gegebenenfalls auch der Auslassventile gesteuert. Zudem ist über die Stellung einer im Abgassystem des Verbrennungsmotors vorgesehenen Klappe die Restgasmenge im Brennraum steuerbar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Brennverfahren für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor vorzuschlagen, das insbesondere einen verringerten Kraftstoffverbrauch und verminderte Schadstoffentstehung aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Brennverfahren wird durch verschiedene, synergetisch zusammenwirkende Merkmale gebildet. Die Basis des Brennverfahrens stellt dabei eine als Fremdzündung ausgebildete Raumzündung an nahezu allen zündfähigen Stellen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, d. h. der Befüllung des oder der Zylinder, dar. Anders ausgedrückt beginnt die Verbrennung gleichzeitig im ganzen Brennraum, wie dies beispielsweise von der homogenen Kommpressionszündung (HCCI) bekannt ist. Im Unterschied zur homogenen Kommpressionszündung handelt es sich beim erfindungsgemäßen Brennverfahren jedoch um ein solches mit Fremdzündung. Dies hat den großen Vorteil, dass das erfindungsgemäße Brennverfahren, im Gegensatz zur homogenen Kompressionszündung, über das gesamte Kennfeld des Verbrennungsmotors hinweg einsetzbar ist. Zudem werden beim erfindungsgemäßen Brennverfahren der oder die Zylinder, für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors, stets voll befüllt. Im Gegensatz zur herkömmlichen, lastabhängigen Füllmenge eines Zylinders wird dieser also stets voll befüllt mit einer Mischung aus Kraftstoff, Frischluft und Restgas. Damit ist keine aufwendige Ventilsteuerung mit einer Hubveränderung der Einlass- bzw. Auslassventile mehr notwendig. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Befüllung des oder der Zylinder für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors einen relativ hohen Anteil an Restgas aufweist. Dem gegenüber arbeiten beispielsweise herkömmliche, selbstzündende Verbrennungsmotoren mit einem relativ niedrigen Anteil an Restgas und weisen zudem kein homogenes Gemisch im Zylinder, d. h. im Brennraum, auf, was zu einer unvollkommenen Verbrennung führt. Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, für nahezu alle Lastfälle des Verbrennungsmotors ein Luftverhältnis λ von größer als 1 einzustellen. Während herkömmliche, fremdgezündete Verbrennungsmotoren üblicherweise mit einem Luftverhältnis von 1 betrieben werden, ermöglicht das erfindungsgemäße Brennverfahren somit fast immer einen Magerbetrieb. Die spezielle Merkmalskombination des erfindungsgemäßen Brennverfahrens ermöglicht einen deutlich verbesserten, weil verbrauchsarmen und schadstoffminimierten, fremdgezündeten Verbrennungsmotor. Es beruht dabei auf einer als Raumzündung ausgeführten Fremdzündung, indem das Gemisch im Zylinder quasi überall dort, wo es zündfähig ist, durch Energiezufuhr auch gezündet wird. Ein geeigneter Brennraum wird dabei in der parallelen Patentanmeldung der gleichen Anmelderin vorgeschlagen.
Besonders bevorzugt ist die Raumzündung als Mikrowellenzündung ausgeführt, insbesondere mit nur einem Hochfrequenz-Einkoppelelement im Zylinder. Durch Einstrahlung von Mikrowellen, bzw. allgemein von Hochfrequenzenergie, mit geeigneter Wellenlänge, Leistung und Dauer wird das Gemisch im Zylinder nahezu überall dort, wo es zündfähig ist, auch gezündet. Damit ergibt sich eine stabile Verbrennung im Brennraum.
Die Laststeuerung des Verbrennungsmotors erfolgt bevorzugt über eine Einstellung der Schließzeiten des oder der Einlassventile eines Zylinders und/oder der Einstellung des Luftverhältnisses λ bzw. den Anteil an Restgas. Damit ist ein mit dem erfindungsgemäßen Brennverfahren betriebener Verbrennungsmotor ohne Drosselklappe darstellbar, und damit relativ einfach aufbaubar.
Besonders bevorzugt ist das Luftverhältnis λ zur Laststeuerung des Verbrennungsmotors mit steigender Last stetig fallend ausgeprägt. Indem mit steigender Lastanforderung an den Verbrennungsmotor der Anteil an Kraftstoff, relativ zum Anteil an Frischluft, erhöht wird ist so eine einfache Laststeuerung möglich.
Mit Vorteil wird vorgeschlagen, dass der Anteil an Restgas mit steigender Last des Verbrennungsmotors stetig fallend ausgeprägt ist. Indem erfindungsgemäß ein Zylinder für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors stets voll befüllt ist, ermöglicht ein derartiger Anteils an Restgas eine einfache lastabhängigen Steuerung bei konstanter Zylinderfüllung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor als auch bei Verbrennungsmotoren ohne Aufladung verwendet werden. Insbesondere bei aufgeladenen Motoren ist dabei ein Anteil an Restgas zwischen 20% und 80% an der Befüllung des Zylinders vorgesehen, und insbesondere zwischen 30% und 80%. Denn mit steigender Last des Verbrennungsmotors wird ja durch die Aufladung die Menge an Gemisch, d. h. die Füllmenge im Zylinder, vergrößert. Damit ist trotz der Zunahme des Anteils von Kraftstoff bzw. Frischluft an der Befüllung des Zylinders, noch ein relativ großer Anteil an Restgas im Zylinder möglich. Dem gegenüber ist beim Verbrennungsmotor ohne Aufladung bei hoher Last, insbesondere nahe Volllast, der Anteil an Restgas geringer.
Die Steuerung des Anteils an Restgas findet bevorzugt über die Einstellung der Schließzeiten eines Auslassventils und/oder Ventilüberschneidung eines Zylinders statt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Abgasgegendruck, beispielsweise vermittels einer Abgasklappe, variabel gestaltet werden und/oder eine externe Abgasrückführung vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Brennverfahren wird nun anhand einer Zeichnung näher dargelegt. Dabei zeigen 1 und 2 jeweils die anteilige Befüllung eines Zylinders eines fremd gezündeten Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, Frischluft bzw. Restgas sowie das Luftverhältnis λ, für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors. Hierzu zeigt 1 schematisch den Fall eines Verbrennungsmotors ohne Aufladung, während 2 schematisch den Fall eines Verbrennungsmotors mit Aufladung darlegt.
Im jeweils linken Bereich von 1 und 2 ist dabei die anteilige Zylinderfüllung mit einem jeweiligen Anteil Kraftstoff 10, einem jeweiligen Anteil Frischluft 20 und einem jeweiligen Anteil Restgas 30 dargelegt. Der jeweilige Anteil variiert dabei entsprechend der auf der vertikalen Achse dargelegten Last des Verbrennungsmotors.
Wie 1 entnommen werden kann, ist der Zylinder eines Verbrennungsmotors ohne Aufladung stets mit einem Gemisch aus Kraftstoff, Frischluft und Restgas voll befüllt. Während im Bereich niedriger Last des Verbrennungsmotors ein jeweils hoher Anteil an Restgas 30 vorgesehen ist, sinkt dieser Anteil mit steigender Last des Verbrennungsmotors ab. Gleichzeitig steigen sowohl der jeweilige Anteil Kraftstoff 10 als auch der jeweilige Anteil Frischluft 20 mit steigender Last des Verbrennungsmotors an. Dabei steigt der jeweilige Anteil Kraftstoff 10 jedoch relativ stärker als der jeweilige Anteil Frischluft 20, wie dem rechten Teil der Fig. entnommen werden kann. Dort ist das Luftverhältnis λ dargestellt, welches bei niedriger Last des Verbrennungsmotors größer als 1 ist und mit steigender Last bis auf nahezu 1 absinkt.
Gemäß 2 ist der Fall eines Verbrennungsmotors mit Aufladung dargestellt. Diese schematische Darstellung unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 dadurch, dass aufgrund der Aufladung mit steigender Last des Verbrennungsmotors auch die Füllmenge, zur vollen Befüllung des Zylinders mit Gemisch, ansteigt.
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

- EP 1444434 B1 [0002]
- DE 19501386 C2 [0003]

Claims

Brennverfahren für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder in dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird um einen Kolben anzutreiben, wobei das Brennverfahren die folgenden Merkmale aufweist: – der oder die Zylinder werden, für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors, stets voll befüllt, – die Befüllung des oder der Zylinders weist einen relativ hohen Anteil an Restgas (30) auf, – das Luftverhältnis λ ist, für nahezu alle Lastfälle des Verbrennungsmotors, größer als 1, sowie – die Fremdzündung ist als Raumzündung ausgeführt, die an nahezu allen zündfähigen Stellen der Befüllung des Zylinders stattfindet.
Brennverfahren nach Anspruch 1, wobei die Raumzündung als Mikrowellenzündung ausgeführt ist, insbesondere mit nur einem Hochfrequenz-Einkoppelelement im Zylinder.
Brennverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laststeuerung des Verbrennungsmotors über die Einstellung der Schließzeiten eines Einlassventils des oder der Zylinder und/oder die Einstellung des Luftverhältnisses λ und/oder die Einstellung des Anteils an Restgas vorgesehen ist.
Brennverfahren nach Anspruch 3, wobei das Luftverhältnis λ mit steigender Last des Verbrennungsmotors stetig fallend ausgeprägt ist.
Brennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an Restgas mit steigender Last des Verbrennungsmotors stetig fallend ausgeprägt ist.
Brennverfahren nach Anspruch 5, wobei der Anteil an Restgas für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors zwischen 20% und 80% Anteil an der Zylinderfüllung, und insbesondere zwischen 30% und 80%, liegt.
Brennverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuerung des Anteils an Restgas über die Einstellung der Schließzeiten eines Auslassventils und/oder Ventilüberschneidung und/oder externe Abgasrückführung des oder der Zylinder vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor, insbesondere mit Aufladung, betrieben mit einem Brennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.