DE102010003143A1

DE102010003143A1 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102010003143A1
Application number: DE102010003143A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lorenz; Georg Louven; Dr. Ruhland Helmut; Klaus Moritz Springer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: CN102200063A; DE102010003143B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, von denen mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Es soll ein Verfahren der genannten Art aufgezeigt werden, mit dem eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine bei stöchiometrischem Betrieb (λ ≈ 1) sicher verhindert wird.
Erreicht wird dies mit einem Verfahren der oben genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe unterstöchiometrisch mit λ_rich,I < 1 und der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe überstöchiometrisch mit λ_lean,II > 1 betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, von denen mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens der genannten Art.
Eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, insbesondere die abgasbeaufschlagten und abgasführenden Komponenten, muß bzw. müssen in der Regel vor Überhitzung, d. h. vor zu hohen Betriebstemperaturen, geschützt werden.
Die Entwicklung hin zu aufgeladenen Brennkraftmaschinen rückt die Problematik der Überhitzung weiter in den Fokus der Entwicklungsarbeiten, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu Saugmotoren nochmals größer ist. Darüber hinaus werden die Abgasleitungen bzw. die Abgaskrümmer zunehmend in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integriert, um eine kompakte Bauweise zu realisieren und ein verbessertes Betriebsverhalten einer gegebenenfalls stromabwärts angeordneten Turbine zu erzielen, was die thermische Beanspruchung des Zylinderkopfes ebenfalls erhöht.
Um die thermische Belastung einer Brennkraftmaschine zu senken, wird nach dem Stand der Technik häufig eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen, wozu der Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet wird. Aufgrund der hohen Wärmekapazität einer Flüssigkeit können mit einer Flüssigkeitskühlung große Wärmemengen abgeführt werden. Dies reicht aber häufig nicht aus, um die Brennkraftmaschine vor einer thermischen Überbeanspruchung zu schützen.
So erweist sich die Kühlung des in der EP 1 722 090 A2 beschriebenen Zylinderkopfes in der Praxis auch als unzureichend, wobei insbesondere in dem Bereich, in dem die Abgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen, eine thermische Überlastung zu befürchten ist.
Um eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine zu verhindern, wird daher nach dem Stand der Technik immer dann eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen, wenn mit hohen Abgastemperaturen zu rechnen ist. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der zusätzliche Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, wodurch dem Kraftstoff-Luft-Gemisch Energie entzogen wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt.
Diese Vorgehensweise ist aber unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen. Insbesondere gestattet es die notwendige Anfettung nicht immer, die Brennkraftmaschine in der Weise zu betrieben, wie es beispielsweise für ein vorgesehenes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich wäre.
Zur Reduzierung der Schadstoffemissionen werden fremdgezündete Brennkraftmaschinen, d. h. Ottomotoren, mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet, beispielsweise mit Oxidationskatalysatoren, um eine Oxidation der im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und des Kohlenmonoxids (CO) herbeizuführen.
Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen während der Expansion und des Ausschiebens der Zylinderfüllung bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen.
Aus diesen Gründen kommen katalytische Reaktoren, d. h. Oxidationskatalysatoren, zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Nichtsdestotrotz benötigen auch diese Reaktoren ausreichend Sauerstoff für die Oxidation, was einem unterstöchiometrischen Betrieb, d. h. einer Anfettung der Brennkraftmaschine (λ < 1), entgegen steht.
Sollen zusätzlich Stickoxide (NO_x) reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide NO_x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine bei stöchiometrischem Betrieb (λ ≈ 1) sicher verhindert wird.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, von denen mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe unterstöchiometrisch mit λ_rich,I < 1 und der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe überstöchiometrisch mit λ_lean,II > 1 betrieben wird.
Erfindungsgemäß werden die mindestens zwei Zylinder in zwei Gruppen I, II aufgeteilt und die beiden Zylindergruppen mit verschiedenen Luftverhältnissen λ betrieben.
Ähnlich wie bei einem unterstöchiometrischen Betrieb (λ < 1), bei dem die Abgastemperatur durch den zu viel eingespritzten Kraftstoff die Verdampfung und Erwärmung dieses Kraftstoffes, gesenkt wird, führt auch ein überstöchiometrischer Betrieb (λ > 1) zu niedrigeren Abgastemperaturen, weil auch die überschüssige Verbrennungsluft am Verbrennungsprozeß teilnimmt und mit erwärmt wird, wodurch die Abgastemperatur wieder – im Vergleich zu einem stöchiometrischen Betrieb – abgesenkt wird.
Obwohl einige Zylinder unterstöchiometrisch bzw. überstöchiometrisch und damit nicht stöchiometrisch betrieben werden, gestattet das erfindungsgemäße Verfahren mittels Gruppierung der Zylinder, ein Gesamtluftverhältnis λ_ges ≈ 1 zu generieren, d. h. einen stöchiometrischem Betrieb der Brennkraftmaschine.
Die aus den verschiedenen Zylindern abgeführten Abgase vermischen sich im Abgassystem, so dass stromabwärts der Zylinder – stromaufwärts eines gegebenenfalls vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems – ein zumindest zeitlich gemitteltes Luftverhältnis λ_ges ≈ 1 vorliegt bzw. erzielt wird. Selbst wenn keine vollständige Durchmischung der Abgase stattfindet, folgen die Abgaschargen mit Kraftstoffüberschuß den Abgaschargen mit Luftüberschuß in so geringen Abständen, dass es, insbesondere hinsichtlich der Abgasnachbehandlung, einem stöchiometrischen Betrieb gleichkommt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Verfahrensvarianten, bei denen die Zylinder jeder Zylindergruppe einen größtmöglichen Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse aufweisen. Auf diese Weise erfolgt der Ladungswechsel abwechselnd bei einem Zylinder der ersten bzw. zweiten Zylindergruppe.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet – wie dargelegt – einen Schutz vor Überhitzung bei einem stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) der Brennkraftmaschine.
Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine bei stöchiometrischem Betrieb (λ ≈ 1) sicher verhindert wird.
Darüber hinaus haben Untersuchungen gezeigt, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens überdurchschnittlich heftige Klopfereignisse, wie sie beim herkömmlichen Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung zum Schutz vor Überhitzung, d. h. bei der Abmagerung, auftreten, vermieden werden können. Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren diesbezüglich bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der die überdurchschnittlich heftigen Klopfereignisse, durch welche die Bauteilfestigkeit der Brennkraftmaschine überschritten werden kann, von großer Relevanz sind.
Weitere vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen nach n Arbeitsspielen mit n ≥ 1 der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe in den überstöchiometrischen Betrieb mit λ_lean,I > 1 und der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe in den unterstöchiometrischen Betrieb mit λ_rich,II < 1 überführt wird.
Es ist vorteilhaft, dieselben Zylinder nicht kontinuierlich überstöchiometrisch bzw. unterstöchiometrisch zu betreiben, sondern vielmehr regelmäßig einen Wechsel des Betriebsmodus vorzunehmen, d. h. die Zylinder einer Zylindergruppe abwechselnd unterstöchiometrisch und überstöchiometrisch zu betreiben.
Dies verhindert beispielsweise, dass sich in den Zylindern einer Zylindergruppe infolge eines ständigen unterstöchiometrischen Betriebs, d. h. eines Kraftstoffüberschusses, während des Verbrennungsprozesses gebildeter Ruß ablagert und Verkokungen, insbesondere Verkokungen der Zündkerze, den einwandfreien Betrieb der Brennkraftmaschine gefährden.
Verkokungen der Zündkerze können Zündaussetzer verursachen, die zu Drehungleichförmigkeiten, d. h. Drehzahlschwankungen, und zu erhöhten Schadstoffemissionen, insbesondere zu erhöhten Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, führen. Ablagerungen an den Ventilen behindern den Ladungswechsel und gefährden die Dichtigkeit des Brennraums bei vermeintlich geschlossenen Ventilen.
Aus den genannten Gründen ist es vorteilhaft, nach einer gewissen Anzahl an Arbeitsspielen die Zylinder, die überstöchiometrisch betrieben werden, in den unterstöchiometrischen Betrieb zu überführen und die Zylinder, die unterstöchiometrisch betrieben werden, in den überstöchiometrischen Betrieb. Die Überführung erfolgt nach n Arbeitsspielen, was grundsätzlich die Überführung nach jedem Arbeitsspiel (n = 1) zulässt bzw. einschließt. Eine Überführung, d. h. ein Moduswechsel, nach zwei, drei, vier oder mehr Arbeitsspielen kann ebenfalls vorgenommen werden und vorteilhaft sein. Zur Vermeidung überdurchschnittlich heftiger Klopfereignisse erweist sich ein möglichst häufiger Moduswechsel, insbesondere ein Moduswechsel nach jedem Arbeitsspiel (n = 1), als vorteilhaft.
Die Festlegung der Anzahl n an Arbeitsspielen, nach der ein Moduswechsel vorteilhafterweise durchgeführt wird, hängt auch von der Anzahl der Zylinder ab. So ist bei einer Drei-Zylinder-Brennkraftmaschine ein Moduswechsel nach jedem Arbeitspiel (n = 1) zu bevorzugen, da dabei abwechselnd die Abgase eines abgemagerten Gemisches und die Abgase eines angefetteten Gemisches in den Abgastrakt ausgeschoben werden. Dasselbe gilt für sämtliche Brennkraftmaschinen, bei denen eine ungerade Zylinderanzahl gruppiert wurde, also auch für einen Fünf-Zylinder-Reihenmotor oder einen Vier-Zylinder-Reihenmotor, bei dem nur drei Zylinder gruppiert wurden.
Aus den zuvor genannten Gründen sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen nach weiteren n' Arbeitsspielen mit n' ≥ 1 der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe wieder in den unterstöchiometrischen Betrieb mit λ_rich,I < 1 und der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe wieder in den überstöchiometrischen Betrieb mit λ_lean,II > 1 überführt wird.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Zylinder der beiden Zylindergruppen abwechselnd unterstöchiometrisch und überstöchiometrisch betrieben werden, so dass die Zylinder in Bezug auf das Luftverhältnis λ alternierend betrieben werden, wobei der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe unterstöchiometrisch betrieben wird, wenn der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe überstöchiometrisch betrieben wird und umgekehrt. Ein alternierender Betrieb setzt vorliegend nicht voraus, dass die Zylinder immer nach der gleichen Anzahl an Arbeitsspielen einen Moduswechsel erfahren, sondern nur, dass ein Moduswechsel durchgeführt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein Luftverhältnis für den überstöchiometrischen Betrieb als Ausgangsgröße λ_lean,map aus einem Kennfeld ausgelesen wird, wobei die Drehzahl n_mot und die Last als Eingangsgrößen dienen.
Vorliegend wird für einen spezifischen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, der durch eine konkrete Drehzahl und eine bestimmte Last gekennzeichnet ist, ein Luftverhältnis für den überstöchiometrischen Betrieb einem Kennfeld entnommen. Das zuvor generierte Kennfeld kann in der Motorsteuerung hinterlegt sein. Neben der Drehzahl und der Last können auch andere bzw. weitere Betriebsparameter als Eingangsgrößen verwendet werden, wobei die Last beispielweise als Drehmoment oder Mitteldruck angegeben werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das aus dem Kennfeld ausgelesene Luftverhältnis λ_lean,map um einen Betrag Δλ_lean korrigiert wird, so dass für das Luftverhältnis λ_lean bei überstöchiometrischen Betrieb gilt: λ_lean = λ_lean,map + Δλ_lean. Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Betrag Δλ_lean als Ausgangsgröße aus einem Kennfeld ausgelesen wird, wobei die Abgastemperatur T_Abgas als Eingangsgröße dient. Als weitere Eingangsgröße kann eine maximal zulässige Abgastemperatur T_Abgas,max vorgegeben und verwendet werden.
Übersteigt die gemessene bzw. mittels Simulation berechnete Abgastemperatur T_Abgas eine vorgebbare maximal zulässige Abgastemperatur T_Abgas,max, wird das aus dem Kennfeld ausgelesene Luftverhältnis λ_lean,map um einen Betrag λ_lean korrigiert, d. h. das Kraftstoff-Luft-Gemisch weiter abgemagert, um die Abgastemperatur weiter zu senken.
Es ist darauf zu achten, dass das für die Verbrennung bereitgestellte Gemisch nicht zu sehr abgemagert wird, da dies die sichere Entzündung und vollständige Verbrennung des Gemisches gefährden kann.
Daher sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen das Luftverhältnis λ_lean für den überstöchiometrischen Betrieb durch ein maximal zulässiges Luftverhältnis λ_lean,max limitiert wird mit λ_lean ≤ λ_lean,max.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Luftverhältnis λ_rich für den unterstöchiometrischen Betrieb derart ermittelt wird, dass sich ein Gesamtluftverhältnis λ_ges ≈ 1 einstellt.
Bei Betrachtung von zwei Zylindern, die ihr Abgas aufeinanderfolgend abführen, d. h. der eine Zylinder (λ_rich) nach dem anderen Zylinder (λ_lean), ergibt sich das Luftverhältnis λ_rich für den unterstöchiometrischen Betrieb dann vorzugsweise mit λ_rich = 2 – λ_lean.
Damit sich die Abgase der beiden unterschiedlich betriebenen Zylindergruppen, d. h. die Abgase von unterschiedlich betriebenen Zylindern, im Abgassystem – zumindest zeitlich gemittelt – zu einem Abgas von λ_ges ≈ 1 vermischen, ist es vorteilhaft, wenn der Kraftstoff, der dem einen Zylinder zu viel zugeführt wurde, mit dem Luftüberschuss eines anderen Zylinders mengenmäßig in der Weise korrespondiert, dass der zu viel eingespritzte Kraftstoff theoretisch stöchiometrisch mit dem Luftüberschuss des anderen Zylinders verbrannt werden kann.
Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass das Luftverhältnis λ_rich für den unterstöchiometrischen Betrieb wie oben beschrieben ermittelt wird, nämlich anhand der Formel: λ_rich = 2 – λ_lean.
Grundsätzlich ist es aber ausreichend, wenn die Abgase aller gruppierten Zylinder ein Abgas gemäß der in Rede stehenden Verfahrensvariante, d. h. mit einem Gesamtluftverhältnis λ_ges ≈ 1 ergeben.
Tatsächlich kann es im Abgassystem zu weiteren Oxidationsvorgängen kommen, bei denen unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid mittels überschüssigen Sauerstoffs im Rahmen einer exothermen Reaktion oxidieren.
Ob und an welcher Stelle des Abgassystems gegebenenfalls eine zusätzliche Oxidation bzw. Nachoxidation stattfindet, hängt auch von der Art der Führung bzw. Zusammenführung der Abgasleitungen ab. Die im Rahmen der Oxidationsvorgänge abgegebene Wärme führt prinzipbedingt zu einer Erhöhung der lokalen Abgastemperatur. Hinsichtlich einer Überhitzung der Brennkraftmaschine kann dies aber unschädlich sein, beispielsweise weil die Freisetzung der zusätzlichen Wärme außerhalb des Zylinderkopfes, d. h. beabstandet zu den Zylindern, in einer externen Abgasleitung erfolgt.
Sowohl für die abgemagert betriebenen als auch für die angefetteten Zylinder müssen die Zündzeitpunkte korrigiert, d. h. angepaßt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein Zündzeitpunkt spark_lean für den überstöchiometrischen Betrieb festgelegt wird, indem ein Wert Δspark_lean ermittelt wird, um welchen der Zündzeitpunkt spark_stöch des stöchiometrischen Betriebs korrigiert wird mit spark_lean = spark_stöch + Δspark_lean.
Der Wert Δspark_lean wird vorzugsweise als Ausgangsgröße aus einem Kennfeld ausgelesen, wobei die Drehzahl n_mot und das Luftverhältnis λ_lean für den überstöchiometrischen Betrieb als Eingangsgrößen dienen.
Vorteilhaft sind gleichfalls Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein Zündzeitpunkt spark_rich für den unterstöchiometrischen Betrieb festgelegt wird, indem ein Wert Δspark_rich ermittelt wird, um welchen der Zündzeitpunkt spark_stöch des stöchiometrischen Betriebs korrigiert wird mit spark_rich = spark_stöch + Δspark_rich.
Der Wert Δspark_rich wird vorzugsweise als Ausgangsgröße aus einem Kennfeld ausgelesen. Als Eingangsgrößen können wieder die Drehzahl n_mot und das Luftverhältnis λ_rich für den unterstöchiometrischen Betrieb verwendet werden.
Vorzugsweise sollte das erfindungsgemäße Verfahren nur bei Bedarf angewendet werden, d. h. in den Fällen, in denen eine Überhitzung der Brennkraftmaschine zu befürchten ist, beispielsweise weil die Abgastemperatur eine maximal zulässige Temperatur übersteigt.
Aus diesem Grund sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das Verfahren durchgeführt wird, falls die Abgastemperatur T_Abgas eine maximal zulässige Temperatur T_Abgas,max übersteigt.
Des Weiteren sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das Verfahren in vorgebbaren Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Die ausgewählten Betriebspunkte zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass eine Überhitzung der Brennkraftmaschine gesichert angenommen werden kann, wahrscheinlich ist oder aber nicht ausgeschlossen werden kann.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennkraftmaschine einen unterschiedlichen Betrieb der mindestens zwei Zylinder hinsichtlich des Luftverhältnisses λ zulässt.
Das für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die oben bereits gemachten Ausführungen Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist die thermische Belastung aufgeladener Brennkraftmaschinen größer als bei vergleichbaren Saugmotoren, weshalb sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz vor Überhitzung besonders bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen eignet.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Für die Aufladung kann grundsätzlich ein mechanischer Lader oder ein Abgasturbolader eingesetzt werden.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und der Verdichter die Ladeluft fördert und komprimiert.
Die Vorteile des Abgasturboladers im Vergleich zu mechanischen Ladern bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Die thermische Belastung von Brennkraftmaschinen bzw. Zylinderköpfen mit integriertem Abgaskrümmer ist höher als bei Verwendung externer Krümmer. Es gilt das bereits im Zusammenhang mit aufgeladenen Brennkraftmaschinen Gesagte, dass nämlich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Brennkraftmaschinen, die – wie die in Rede stehende – hinsichtlich einer Überhitzung besonders gefährdet sind, besonders vorteilhaft ist.
Die Integration des Krümmers in den Zylinderkopf gestattet ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Ein Zylinderkopf, bei dem die Abgasleitungen der Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt werden, hat weitere Vorteile.
So ist man bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine grundsätzlich bemüht, den bzw. die Abgasturbolader möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten.
Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
Die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasturbolader bzw. Turbine sollte minimiert werden, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen, beispielweise, wenn die mindestens zwei Zylinder auf zwei Zylinderbänke verteilt angeordnet sind. Es sind auch Brennkraftmaschinen ausführbar, bei denen nicht sämtliche Zylinder eines Zylinderkopfes gruppiert werden, sondern nur einige der im Zylinderkopf angeordneten Zylinder in der erfindungsgemäßen Weise gruppiert sind.
Vorteilhaft können Ausführungsformen sein, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Die Abgasleitungen der Zylinder der ersten Zylindergruppe führen dann zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe führen zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammen.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder beider Zylindergruppen zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Die Zylinder werden vorzugsweise in der Weise gruppiert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen einer Zylindergruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens drei in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe die außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe den mindestens einen innenliegenden Zylinder umfaßt.
Diese Ausführungsform zeigt, dass eine Zylindergruppe erfindungsgemäß auch nur einen Zylinder umfassen kann, beispielsweise die zweite Zylindergruppe den innenliegenden Zylinder eines Drei-Zylinder-Reihenmotors.
Unabhängig von der Zündfolge der Zylinder weisen die in der ersten Zylindergruppe zusammengefaßten beiden Zylinder immer sowohl einen kurzen Zündabstand von 240°KW als auch einen langen Zündabstand von 480°KW auf.
Bei einer Drei-Zylinder-Brennkraftmaschine ist ein Moduswechsel nach jedem Arbeitspiel (n = 1) zu bevorzugen. Dann gelangen abwechselnd die Abgase eines abgemagerten Gemisches und die Abgase eines angefetteten Gemisches in den Abgastrakt.
Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfaßt.
Diese Gruppierung der Zylinder trägt dem Umstand Rechnung, dass die Zylinder eines Vier-Zylinder-Reihenmotors in der Regel in der Reihenfolge 1-3-4-2 gezündet werden, wobei die Zylinder beginnend mit einem außenliegenden Zylinder der Reihe nach durchnumeriert sind. Die vorgeschlagene Gruppierung der Zylinder sorgt dafür, dass die beiden Zylinder sowohl der ersten als auch der zweiten Zylindergruppe einen Zündabstand von 360°KW aufweisen. Die zwei Zylinder jeder Zylindergruppe weisen somit den größtmöglichen Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse auf.
Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe einen Zylinder und die zweite Zylindergruppe zwei Zylinder umfaßt. Der vierte Zylinder wird dabei keiner Gruppe zugeordnet. Die Gruppierung einer ungeraden Anzahl an Zylindern gewährleistet bei entsprechender Zündfolge, dass abwechselnd die Abgase eines abgemagerten Gemisches und die Abgase eines angefetteten Gemisches in den Abgastrakt gelangen. Werden hingegen sämtliche Zylinder eines Vier-Zylinder-Motors gruppiert, ist dies nicht zu realisieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch anhand eines Ablaufdiagramms die Ermittlung der Luftverhältnisse λ_lean und λ_rich für beide Zylindergruppen, und
2 schematisch anhand eines Ablaufdiagramms die Ermittlung des Zündversatzes Δspark_lean bzw. Δspark_rich für beide Zylindergruppen.
1 zeigt schematisch anhand eines Ablaufdiagramms die Ermittlung der Luftverhältnisse λ_lean und λ_rich für beide Zylindergruppen gemäß einer ersten Verfahrensvariante.
Das Luftverhältnis λ_lean,map für den überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) wird aus einem Kennfeld ausgelesen, wobei die Drehzahl n_mot und die Last – vorliegend in Gestalt des Drehmoments T_orque – als Eingangsgrößen dienen.
Das aus dem Kennfeld ausgelesene Luftverhältnis λ_lean,map wird gegebenenfalls um einen Betrag Δλ_lean korrigiert, wobei dieser Korrekturbetrag Δλ_lean wiederum einem Kennfeld – unter Verwendung der Abgastemperatur T_Abgas und der maximal zulässigen Abgastemperatur T_Abgas,max als Eingangsgrößen – entnommen wird. Es gilt: λ_lean = λ_lean,map + Δλ_lean
Um sicherzustellen, dass das für die überstöchiometrische Verbrennung bereitgestellte Gemisch nicht zu sehr abgemagert wird, wird das Luftverhältnis λ_lean für den überstöchiometrischen Betrieb durch ein maximal zulässiges Luftverhältnis λ_lean,max limitiert.
Es gilt: λ_lean ≤ λ_lean,max
Das Luftverhältnis λ_rich für den unterstöchiometrischen Betrieb wird ermittelt durch Differenzbildung anhand der Formel: λ_rich = 2 – λ_lean
2 zeigt schematisch anhand eines Ablaufdiagramms die Ermittlung des Zündversatzes Δspark_lean bzw. Δspark_rich für beide Zylindergruppen zur Festlegung der Zündzeitpunkte spark_lean und spark_rich.
Sowohl für die abgemagert betriebenen als auch für die angefetteten Zylinder müssen die Zündzeitpunkte korrigiert, d. h. angepaßt werden.
Für den Zündzeitpunkt spark_lean bei überstöchiometrischen Betrieb bzw. spark_rich bei unterstöchiometrischen Betrieb gilt: spark_lean = spark_stöch + Δspark_lean bzw. spark_rich = spark_stöch + Δspark_rich
Der Offset Δspark_lean bzw. Δspark_rich, um welchen der Zündzeitpunkt spark_stöch des stöchiometrischen Betriebs zu korrigieren ist, wird jeweils aus einem Kennfeld ausgelesen, wobei die Drehzahl n_mot und das zuvor ermittelte Luftverhältnis λ_lean bzw. λ_rich als Eingangsgrößen dienen.
Die Festlegung des Zündzeitpunktes muß für jeden einzelnen Zylinder vorgenommen werden, wohingegen der Offset nur einmal für jede Gruppe, d. h. insgesamt zweimal, zu ermitteln ist.
Bezugszeichen

n

Anzahl der Arbeitsspiele der ersten Zylindergruppe im unterstöchiometrischen Betrieb

n

Anzahl der Arbeitsspiele der zweiten Zylindergruppe im überstöchiometrischen Betrieb

n'

Anzahl der Arbeitsspiele der ersten Zylindergruppe im überstöchiometrischen Betrieb

n'

Anzahl der Arbeitsspiele der zweiten Zylindergruppe im unterstöchiometrischen Betrieb

n_mot

Drehzahl

spark_lean

Zündzeitpunkt für den überstöchiometrischen Betrieb

spark_rich

Zündzeitpunkt für den unterstöchiometrischen Betrieb

spark_stöch

Zündzeitpunkt des stöchiometrischen Betriebs

Δspark_lean

Korrektur für den Zündzeitpunkt bei überstöchiometrischen Betrieb

Δspark_rich

Korrektur für den Zündzeitpunkt bei unterstöchiometrischen Betrieb

T_Abgas

Abgastemperatur

T_Abgas,max

maximal zulässige Abgastemperatur

T_orque

Last

λ

Luftverhältnis

λ_ges

Gesamtluftverhältnis

λ_lean

Luftverhältnis bei überstöchiometrischen Betrieb

Δλ_lean

Korrektur für das Luftverhältnis bei überstöchiometrischen Betrieb

λ_lean,map

aus einem Kennfeld ausgelesenes Luftverhältnis für den überstöchiometrischen Betrieb

λ_lean,max

maximal zulässiges Luftverhältnis für den überstöchiometrischen Betrieb

λ_lean,I

Luftverhältnis der ersten Zylindergruppe im überstöchiometrischen Betrieb

λ_lean,II

Luftverhältnis der zweiten Zylindergruppe im überstöchiometrischen Betrieb

λ_rich

Luftverhältnis für den unterstöchiometrischen Betrieb

λ_rich,I

Luftverhältnis der ersten Zylindergruppe im unterstöchiometrischen Betrieb

λ_rich,II

Luftverhältnis der zweiten Zylindergruppe im unterstöchiometrischen Betrieb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1722090 A2 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, von denen mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe unterstöchiometrisch mit λ_rich,I < 1 und der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe überstöchiometrisch mit λ_lean,II > 1 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach n Arbeitsspielen mit n ≥ 1 der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe in den überstöchiometrischen Betrieb mit λ_lean,I > 1 und der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe in den unterstöchiometrischen Betrieb mit λ_rich,II < 1 überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach weiteren n' Arbeitsspielen mit n' ≥ 1 der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe wieder in den unterstöchiometrischen Betrieb mit λ_rich,I < 1 und der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe wieder in den überstöchiometrischen Betrieb mit λ_lean,II > 1 überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder der beiden Zylindergruppen abwechselnd unterstöchiometrisch und überstöchiometrisch betrieben werden, so dass die Zylinder in Bezug auf das Luftverhältnis λ alternierend betrieben werden, wobei der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe unterstöchiometrisch betrieben wird, wenn der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe überstöchiometrisch betrieben wird und umgekehrt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftverhältnis für den überstöchiometrischen Betrieb als Ausgangsgröße λ_lean,map aus einem Kennfeld ausgelesen wird unter Verwendung der Drehzahl n_mot und der Last als Eingangsgrößen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Kennfeld ausgelesene Luftverhältnis λ_lean,map um einen Betrag Δλ_lean korrigiert wird, so dass für das Luftverhältnis λ_lean bei überstöchiometrischen Betrieb gilt: λ_lean = λ_lean,map + Δλ_lean.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag Δλ_lean als Ausgangsgröße unter Verwendung der Abgastemperatur T_Abgas als Eingangsgröße aus einem Kennfeld ausgelesen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ_lean für den überstöchiometrischen Betrieb durch ein maximal zulässiges Luftverhältnis λ_lean,max limitiert wird mit λ_lean ≤ λ_lean,max.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ_rich den unterstöchiometrischen Betrieb derart ermittelt wird, dass sich ein Gesamtluftverhältnis λ_ges = 1 einstellt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündzeitpunkt spark_lean für den überstöchiometrischen Betrieb festgelegt wird, indem ein Wert Δspark_lean ermittelt wird, um welchen der Zündzeitpunkt spark_stöch des stöchiometrischen Betriebs korrigiert wird mit spark_lean = spark_stöch + Δspark_lean.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündzeitpunkt spark_rich für den unterstöchiometrischen Betrieb festgelegt wird, indem ein Wert Δspark_rich ermittelt wird, um welchen der Zündzeitpunkt spark_stöch des stöchiometrischen Betriebs korrigiert wird mit spark_rich = spark_stöch + Δspark_rich.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, falls die Abgastemperatur T_Abgas eine maximal zulässige Temperatur T_Abgas,max übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in vorgebbaren Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens zwei Zylindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine einen unterschiedlichen Betrieb der mindestens zwei Zylinder hinsichtlich des Luftverhältnisses λ zuläßt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14 oder 15 mit mindestens einem Zylinderkopf, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, 15 oder 16 mit mindestens drei in Reihe angeordneten Zylindern, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zylindergruppe die außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe den mindestens einen innenliegenden Zylinder umfaßt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 17 mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfaßt.