DE102010000741A1 - Verfahren zum Umschalten zwischen einer HCCI-Verbrennung und einer SI-Verbrennung in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalten (600) zwischen einer HCCI-Verbrennung und einer SI-Verbrennung in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine, wobei die Umschaltung über einen Zwischenzustand erfolgt, in dem eine Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffgemisches bei gedrosseltem Betrieb erfolgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalten zwischen einer HCCI-Verbrennung und einer SI-Verbrennung in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine.
  • Stand der Technik
  • Bei Brennkraftmaschinen sind unterschiedliche Verbrennungsverfahren bekannt. Die hier vorgestellte Erfindung befasst sich im Wesentlichen mit der Steuerung und Regelung des sogenannten HCCI-Brennverfahrens für Ottomotoren (Homogeneous Charge Compression Ignition: homogenes Selbstzündungsverfahren, auch gasoline HCCI oder Controlled Auto Ignition – CAI genannt). Mit HCCI wird ein Magerbrennverfahren bezeichnet, welches zum Ziel hat, eine signifikante Verbrauchsreduktion von 10–15% Kraftstoff im Kfz (durch Entdrosseln des Motorbetriebs und eine thermodynamisch günstige Verbrennung) ohne signifikante Stickoxid-Rohemissionen, darzustellen (der 3-Wege Katalysator wirkt im Magerbetrieb nicht stickstoffreduzierend) und somit auch keine zusätzlichen Kosten für Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.
  • Da der Ottokraftstoff und das Verdichtungsverhältnis eines Ottomotors so ausgelegt sind, dass Selbstzündungen (Klopfen) möglichst vermieden werden, muss die für das HCCI Verfahren nötige thermische Energie anderweitig bereitgestellt werden. Dies kann auf verschiedene Weisen, wie z. B. Rückhalten oder Rücksaugen des heißen internen Restgases oder Heizen der Frischluft, geschehen.
  • Vorliegend wird ein Verfahren mit Abgasrückhaltung bzw. -rückführung zugrunde gelegt.
  • Im Stand der Technik ist das HCCI-Verfahren nur bei geringen Lastzuständen durchführbar. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, eine Umschaltung zwischen einem HCCI-Verfahren und einem SI-Verfahren (spark ignition: Fremdzündung) ohne Klopfen oder Zündaussetzung durchführen zu können. Besonders kritisch erscheint dabei der Übergang von HCCI nach SI. Dies liegt daran, dass das SI Brennverfahren nur eine geringe Restgasverträglichkeit (insbesondere gegenüber heißem internen Restgas) und auch nur eine geringe Abmagerungsfähigkeit (die Zündgrenze für Ottokraftstoff unter Normalbedingungen liegt bei ungefähr λ = 1,4) aufweist.
  • Es ist also beim HCCI-zu-SI-Übergang einerseits notwendig, das interne Restgas möglichst schnell auszustoßen, idealerweise binnen eines Ausstoßvorgangs, andererseits aber zu verhindern, dass das Luft-Kraftstoffgemisch massiv abmagert, wenn das durch den Restgasausstoß freiwerdende Brennraumvolumen mit Frischluft gefüllt wird. Erschwert wird dies durch die Tatsache, dass das HCCI-Verfahren entdrosselt läuft und das Androsseln des Saugrohrdrucks einerseits einen relativ langsamen Prozess darstellt (insbesondere bei einem großen Saugrohrvolumen) und andererseits die überschüssige Luft aus dem Saugrohr nur über den Brennraum abgeleitet werden kann, wo sie zu einer unerwünschten Abmagerung führt. Auch ein Hochfahren des externen Restgasanteils im Saugrohr ist nicht zielführend, da man auch dieses nur über den Brennraum wieder ableiten kann und der SI Betrieb nur eine geringe Restgasverträglichkeit aufweist.
  • Es ist wünschenswert, diesen Problematiken zu begegnen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung schafft die Möglichkeit, einen Übergang von einem HCCI- zu einem SI-Betrieb und umgekehrt ohne klopfende oder aussetzende Verbrennung zu ermöglichen. Die Erfindung fußt dabei auf der Erkenntnis, dass zwar die HCCI-Verbrennung auch im gedrosselten Betrieb und bei stöchiometrischem Luft-/Kraftstoffverhältnis funktioniert, die SI-Verbrennung aber sehr sensitiv auf hohe Restgasraten und starke Abmagerung reagiert (z. B. mit Zündaussetzern). Die erfindungsgemäße Betriebsartenumschaltung basiert daher auf einem Zwischenschritt. So erfolgt z. B. beim Umschalten vom HCCI- in den SI-Betrieb zunächst ein Übergang in einen gedrosselten HCCI-Betrieb, bevor die eigentliche Umschaltung in den SI Betrieb vorgenommen wird. Die Umschaltung von SI zu HCCI erfolgt analog.
  • Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass keine zusätzliche Hardwarevariabilität, wie z. B. die Fähigkeit einer Schichtverbrennung alternativ zum gedrosselten HCCI Betrieb oder zusätzliche Ventilvariabilitäten wie ein kontinuierlich verstellbarer Hub, benötigt wird.
  • Der Zwischenzustand kann durch gewisse Parameter beschrieben werden und wird zweckmäßigerweise über einen Zeitraum von wenigstens zwei Verbrennungszyklen eingenommen.
  • Zum Erreichen eines bevorzugten Zwischenzustands werden vorbestimmte Parameter der Brennkraftmaschine entsprechend angesteuert. Bei der Umschaltung wird vorzugsweise eine Auslassnockenwellenstellung von einem ersten Wert für die HCCI-Verbrennung über einen zweiten Wert für den Zwischenzustand zu einem dritten Wert für die SI-Verbrennung umgestellt. Dabei kennzeichnet der der zweite Wert zweckmäßigerweise einen Schließwinkel, der später als der erste Schließwinkel liegt, bspw. zwischen –50° und 0° Kurbelwellenwinkel. Die Drosselklappe wird soweit geschlossen, dass sich zusammen mit dem zweiten Wert des Schließwinkels des Auslassventils vorzugsweise ein stöchiometrisches Gemisch (λ = 1) bildet. Das führt dazu, dass der Saugrohrdruck schrittweise von einem ersten Wert für die HCCI-Verbrennung über einen zweiten Wert für den Zwischenzustand (HCCI mit λ = 1) zu einem dritten Wert für die SI-Verbrennung (ebenfalls mit λ = 1) reduziert wird. Die Ventilhübe von Auslass- und Einlassventilhub sind im HCCI-Betrieb sowie im Zwischenzustand im Wesentlichen gleich und sind im SI-Zustand vergrößert. Im SI-Betrieb kann zunächst der Auslassventilhub und anschließend, vorzugsweise um bis zu fünf Verbrennungszyklen verzögert, der Einlassventilhub umgestellt werden.
  • Der Zwischenzustand kann als gedrosseltes HCCI-Brennverfahren beschrieben werden, so dass auch hier zweckmäßigerweise Abgas in dem Reaktor zurückgehalten oder in den Reaktor rückgeführt wird.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät.
  • 2 zeigt den Verlauf eines Saugrohrdrucks, einer Drosselklappenstellung, eines Auslassschließwinkels und von Ventilhüben bei einer Umschaltung von einem HCCI- zu einem SI-Betrieb gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 auf und ab bewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Reaktor bzw. Brennraum 4 versehen, an den über Ventile 5a und 5b ein Ansaugrohr 6 bzw. ein Abgasrohr 7 angeschlossen sind. Die Ventile 5a, 5b sind mit einem einstellbaren Ventiltrieb ausgerüstet, wobei hier das Einlassventil 5a mit einem Signal Za und das Auslassventil 5b mit Signalen Zb und EVC ansteuerbar ist. Das Ansaugrohr 6 ist mit einem Luftmassensensor 10 und das Abgasrohr 7 mit einem Lambda-Sensor 11 versehen. Zur äußeren Abgasrückführung ist ein an sich bekanntes Abgasrückführventil 13 vorgesehen.
  • Zum Abgasrücksaugen kann die Ansteuerung des Einlassventils 5a derart erfolgen, dass ein Teil des Abgases durch frühes Öffnen des Einlassventils 5a zurück in das Saugrohr 6 strömt.
  • Zur Abgasrückhaltung, welche eine besonders bevorzugte Lösung darstellt, kann die Ansteuerung des Auslassventils 5b derart erfolgen, dass ein Teil des Abgases durch frühes Schließen des Auslassventils 5b zurückgehalten wird. Dabei wird das Einlassventil 5a spät geöffnet, um ein Ausströmen des zurückgehaltenen Abgases in das Saugrohr 6 zu verhindern.
  • Des Weiteren sind mit dem Brennraum 4 ein mit Signalen q (Kraftstoffmasse) und SOI (Zündwinkel) ansteuerbares Einspritzventil 8 und eine ansteuerbare Zündkerze 9 verbunden. Bei dem HCCI-Verfahren wird die Zündkerze nicht zur Zündung des Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum verwendet. Stattdessen findet eine Selbstzündung statt. Die Zündkerze ist für die übrigen Betriebsarten (SI-Verfahren) vorgesehen. Der Brennraum weist weiterhin einen Brennraumdrucksensor 15 zum Messen des Brennraumdrucks auf.
  • Der Luftmassensensor 10 misst die Luftmasse der dem Ansaugrohr 6 zugeführten Frischluft und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal LM. Der Lambda-Sensor 11 misst den Sauerstoffgehalt des Abgases in dem Abgasrohr 7 und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal Lambda λ.
  • In dem Ansaugrohr 6 ist eine Drosselklappe 12 untergebracht, deren Drehstellung mittels eines Signals DK einstellbar ist. Der Lambda-Sonde 11 ist eine Auspuffanlage (nicht gezeigt) einschließlich eines Katalysators, bspw. 3-Wege-Katalysators, nachgeschlossen
  • In einer HCCI-Betriebsart mit Abgasrückhalten der Brennkraftmaschine 1 wird die Drosselklappe 12 in Abhängigkeit von der erwünschten, zugeführten Luftmasse geöffnet, um ein mageres Gemisch zu erzeugen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 8 während der durch das frühe Schließen und späte Öffnen des Aus- und Einlassventils hervorgerufenen Zwischenverdichtung nahe dem Ladungswechsel OT (oberer Totpunkt) in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen kommt es zu einer schnellen Verdampfung des Kraftstoffs und dadurch zu einer sehr guten Gemischbildung im Brennraum 4. In der nachfolgenden Ansaugphase wird frische Luft in den Brennraum 4 gesaugt. Danach wird das Kraftstoff-/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, bis es durch die dabei ansteigende Temperatur selbst zündet. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben. Durch den angetriebenen Kolben wird eine Kurbelwelle 14 in eine Drehbewegung versetzt, über die letztendlich die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden.
  • Es versteht sich, dass eine Brennkraftmaschine mehr als einen Zylinder aufweisen kann, die derselben Kurbelwelle sowie demselben Abgasrohr zugeordnet sind und eine Abgasbank bilden.
  • Zur Regelung u. a. des HCCI-Verfahrens ist ein Steuergerät 16 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 16 mit einem Mikroprozessor versehen, wobei in einem Speichermedium, insbesondere in einem Read Only Memory (ROM) ein Programm abgespeichert ist, das dazu geeignet ist, die gesamte Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1 durchzuführen. Das Steuergerät (ECU) 16 ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
  • Das Steuergerät 16 ist von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Luftmassensensor 10, dem Lambda-Sensor 11 usw. verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 16 u. a. mit einem Fahrpedalsensor (nicht gezeigt) verbunden. Das Steuergerät 16 erzeugt Ausgangssignale, mit denen über Aktoren das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 entsprechend der erwünschten Steuerung und/oder Regelung beeinflusst werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Einspritzventil 8, den Ventilen 5a, 5b, der Zündkerze 9 und der Drosselklappe 12 verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend o. E. exemplarisch anhand der Umschaltung von dem HCCI- in den SI-Betrieb dargelegt. Der umgekehrte Fall kann in Ausgestaltung der Erfindung analog realisiert werden (SI → Zwischenzustand (gedrosseltes HCCI) → HCCI), hat sich aber in der Praxis als weniger kritisch erwiesen.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird eine grundsätzliche Umschaltstrategie erläutert. In 2 sind in einem Diagramm 200 ein Saugrohrdruck p22 in Bar auf einer Ordinate 201, in einem Diagramm 300 eine Drosselklappenstellung DK von 0 (geschlossen) bis 1 (vollständig geöffnet) auf einer Ordinate 301, in einem Diagramm 400 eine Auslassnockenwellenstellung EVC in °CA (crank angle: Kurbelwellenwinkel) auf einer Ordinate 401, in einem Diagramm 500 ein Ventilhub Z in mm auf einer Ordinate 501 und in einem Diagramm 600 der Zustand der Umschaltung auf einer Ordinate 601 jeweils gegen die Zeit t in Sekunden auf einer Abszisse 602 aufgetragen.
  • Ein erwünschter Saurohrdruckverlauf ist mit 210 bezeichnet. Ein sich real ergebender Saugrohrdruckverlauf ist mit 211 bezeichnet. Ein Drosselklappenstellungsverlauf ist mit 310 bezeichnet. Ein erwünschter Auslassnockenwellenwinkelverlauf ist mit 410 bezeichnet. Ein sich real ergebender Auslassnockenwellenwinkelverlauf ist mit 411 bezeichnet. Ein Auslassventilhubverlauf ist mit 510, ein Einlassventilhubverlauf mit 511 bezeichnet. Der Verbrennungszustandsverlauf ist mit 610 bezeichnet, wobei deutlich wird, dass von einem HCCI-Zustand über einen Zwischenzustand zu einem SI-Zustand umgeschaltet wird.
  • Erhält die Motorsteuerung eine Anforderung zur Betriebsartenumschaltung vom HCCI- zum SI-Betrieb bei ca. t0 = 0,4 s, so wird zunächst eine Umschaltung in einen Zwischenzustand eingeleitet und der eigentliche Umschaltvorgang zum SI-Betrieb bis ca. t1 = 0,975 s verzögert. Der Zwischenzustand wird durch einen gedrosselten HCCI-Betrieb mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoffgemisch (λ = 1) und minimaler interner Restgasmasse beschrieben.
  • Einerseits wird, wie in Diagramm 200 dargestellt, der Saugrohrdruck durch Androsseln reduziert, wobei im Extremfall die Drosselklappe auch geschlossen werden kann. Die Reduktion erfolgt so lange, bis λ = 1 erreicht ist. Damit ist sichergestellt, dass man beim Übergang zum SI-Betrieb nur noch eine minimale interne Restgasmenge ausstoßen muss und der Saugrohrdruck sich bereits nahe des SI-Niveaus befindet. Eine Abweichung des erwünschten Verlaufs 210 vom sich tatsächlich ergebenden Verlauf 211 rührt von der Saugrohrdynamik her.
  • Weiterhin wird, wie in Diagramm 400 dargestellt, das Auslassventil verstellt. Im HCCI-Betrieb wird vorzugsweise eine negative Ventilüberschneidung und eine Nocke mit kleinem Hub gefahren. Die interne Restgasmenge wird durch Phasenverschiebung über den EVC (Exhaust Valve Closing, d. h. Schließwinkel) gesteuert. Ein späterer Schließwinkel führt zu einer kleineren Restgasmenge. EVC wird in Ausgestaltung zum Zeitpunkt t1 nach ”spät” verstellt. Dies ist durch das Umschalten von der kleinen auf die große Nocke bedingt und nicht Ausdruck einer weiteren Spätverstellung der kleinen Nocke über das erlaubte Maximum hinaus. Eine Abweichung des kommandierten Befehls 410 vom sich tatsächlich ergebenden Verlauf 411 wird durch eine interne Dynamik des Camphasers sowie eine Ratenbegrenzung verursacht.
  • Nach Erreichen dieser beiden Vorgaben wird in den SI Betrieb umgeschaltet, wobei eine Umstellung der Einspritzmenge und des Einspritztimings, eine Verschiebung des Zündwinkels, ein weiteres Abdrosseln etc. erfolgt. Um dabei eine transiente Abmagerung zu vermeiden, kann optional die Umschaltung auf die große Einlassnocke noch um weitere Zyklen verzögert werden, wie es in Diagramm 500 um drei Zyklen verzögert dargestellt ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Umschalten zwischen einer HCCI-Verbrennung und einer SI-Verbrennung in einem Reaktor (4) einer Brennkraftmaschine (1), wobei die Umschaltung über einen Zwischenzustand erfolgt, in dem eine Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffgemisches bei gedrosseltem Betrieb erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zwischenzustand über einen Zeitraum von wenigstens einem Verbrennungszyklus eingenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Auslassnockenwellenstellung (EVC) von einem ersten Wert für die HCCI-Verbrennung über einen zweiten Wert für den Zwischenzustand zu einem dritten Wert für die SI-Verbrennung umgestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Wert einen späten Schließwinkel kennzeichnet.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Drosselklappe (12) in dem Zwischenzustand weniger als 5% geöffnet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Saugrohrdruck (p22) von einem ersten Wert für die HCCI-Verbrennung über einen zweiten Wert für den Zwischenzustand zu einem dritten Wert für die SI-Verbrennung umgestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 4 und 6, wobei der zweite Wert so gewählt wird, dass sich zusammen mit dem zweiten Wert des Schließwinkels des Auslassventils ein stöchiometrisches Gemisch (λ = 1) bildet.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Auslass- und/oder Einlassventilhub in dem Zwischenzustand und bei der HCCI-Verbrennung gleich sind.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei restliches Abgas beim Umschalten von dem Zwischenzustand zu der SI-Verbrennung aus dem Reaktor abgeführt wird.
  10. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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