DE102010037528A1

DE102010037528A1 - Betriebsverfahren für einen Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE102010037528A1
Application number: DE102010037528A
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Mwi Micro Wave Ignition Ag De
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Zweitaktmotor, bei dem in einem Teillastbetrieb zur Optimierung des Wirkungsgrades und der Schadstoffemissionen entweder – eine geringe Zylinderfüllung erfolgt, bei der ein im Zylinder verbleibender Abgasanteil (AGR) 50–70% beträgt, ein Lambdawert (λ) auf ca. zwei eingestellt und der Zweitaktmotor im Homogenbetrieb arbeitet, oder – eine hohe Zylinderfüllung erfolgt, bei der ein im Zylinder verbleibender Abgasanteil (AGR) ca. 50% beträgt, ein Lambdawert größer als zwei ist und der Zweitaktmotor im Schichtbetrieb arbeitet. Hierdurch können ein hoher Wirkungsgrad und eine reduzierte Schadstoffemission erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Zweitaktmotor. Die Erfindung betrifft außerdem einen mit einem derartigen Betriebsverfahren betriebenen Zweitaktmotor.
Aus der DE 36 90 386 C2 ist ein Verfahren zum Betreiben eines fremdgezündeten Zweitakt-Verbrennungsmotors mit Ein- und Auslassöffnungen bekannt, die durch einen Hubkolben geöffnet und geschlossen werden. Beim Betrieb wird eine zugemessene Kraftstoffmenge direkt in die Verbrennungskammern des Zweitaktmotors eingespritzt, wobei der Zündpunkt des Kraftstoffs derart gesteuert wird, dass bei gewissen Zuständen niedriger Motorlast die Zündung bei einem Kurbelwinkel zwischen 50° und 65° vor dem oberen Totpunkt des Arbeitszyklus des Zweitaktmotors erfolgt und die Einspritzung des Kraftstoffs vor der Zündung begonnen wird und mindestens 80% des Kraftstoffs nach dem Schließen der Auslassöffnung zur Erzeugung einer geschichteten Kraftstoffverteilung in der Gasladung in der Verbrennungskammer eingespritzt wird. Hierdurch soll insbesondere die Abgasemission verringert werden.
Aus der DE 43 05 468 A1 ist ebenfalls ein Arbeitsverfahren für einen Zweitaktmotor bekannt, bei welchem zunächst die im Zylinder noch vorhandenen Restabgase verdichtet und anschließend ein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch in eine begrenzte Zone des Brennraums eingebracht wird, wobei die Vermischung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Gemisch und den Restabgasen minimiert wird. Anschließend erfolgt das Zünden des brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemischs in der begrenzten Zone sowie eine Expansion der Zylinderladung. An die Expansion schließt sich ein kontrolliertes Auslassen einer bestimmten Abgasmenge an, die der Abgasmenge entspricht, die durch die Verbrennung des im folgenden Zyklus in den Zylinder eingebrachten Luft-Kraftstoff-Gemisches entsteht. Hierdurch soll ebenfalls eine Verringerung der Schadstoffemission erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Arbeitsverfahren für einen Zweitaktmotor anzugeben, wodurch insbesondere ein hoher Wirkungsgrad des Zweitaktmotors und gleichzeitig verringerte Schadstoffemissionen erreicht werden sollen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Teillastbetrieb eines Zweitaktmotors einen Zylinder desselben lediglich gering zu füllen, d. h. einen im Zylinder verbleibenden Abgasanteil einer vorhergehenden Verbrennung auf 50–70% einzustellen, einen Lambdawert von ca. zwei vorzugeben und den Zweitaktmotor im Homogenbetrieb zu betreiben. Alternativ hierzu kann im Teillastbetrieb auch eine hohe Zylinderfüllung erfolgen, bei der ein im Zylinder verbleibender Abgasanteil lediglich ca. 50% beträgt, der Lambdawert auf (viel) größer als zwei eingestellt wird und der Zweitaktmotor im Schichtbetrieb arbeitet. Generell wird somit der Zweitaktmotor erfindungsgemäß mit einer hohen Abgasrückführrate betrieben, wobei der Lambdawert an der Laufgrenze eingestellt wird. Durch die hohe Abgasrückführrate und den hohen Lambdawert kann eine Niedertemperaturverbrennung erreicht werden, die wiederum lediglich geringe Schadstoffemissionen, insbesondere geringe NOX-Emissionen, zur Folge hat. Hierfür sollte der rückgeführte Abgasanteil zumindest ca. 50% betragen und der Lambdawert kennfeldgesteuert in einem bestimmten Bereich eingestellt werden. Durch den hohen rückgeführten Abgasanteil ist die Abgasenergie wieder nutzbar und die Zylinderfüllung insgesamt steigerbar. Zusammen mit hohen Lambdawert kann ein hoher Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors erreicht werden, was ebenfalls Ziel der Erfindung ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, wird bei hohen Lastanforderungen der Lambdawert gesenkt und gleichzeitig eine homogene Verbrennung im Zylinder eingestellt. Durch das Senken des Lambdawertes wird das im Zylinder vorhandene, an sich magere Kraftstoff-Luft-Gemisch fetter eingestellt, d. h. das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Frischluft erhöht, wobei durch den stets im Zylinder verbliebenen Restabgasgasanteil von ca. 50% trotz der Senkung des Lambdawertes noch ein hoher Wirkungsgrad und gleichzeitig eine vergleichsweise geringe Schadstoffemission erreicht werden können. Zusätzlich oder alternativ kann insbesondere bei hohen Lastanforderungen der Abgasanteil gesenkt werden, wobei dieser aufgrund des Ziels möglichst wenig Schadstoffe zu emittieren, auf zumindest ca. 50% eingestellt werden sollte. Mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist es somit nicht nur im Teillastbetrieb, sondern auch im Volllastbetrieb möglich, eine vollständige Raum- und Niedertemperaturverbrennung mit einer vergleichsweise hohen Abgasrückführrate zu erzielen und dadurch einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad von vorzugsweise um 50% und eine vergleichsweise geringe Schadstoffemission zu erzielen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend 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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch
1 ein Diagramm eines Abgasrückführ-Kennfeldes für einen Homogenbetrieb eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors mit einem Lambdawert von ca. zwei,
2 ein Lambda-Kennfeld für den Homogenbetrieb des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors,
3 ein Kennfeld für eine Abgasrückführrate beim Schichtbetrieb des Zweitaktmotors bei einem Lambdawert von größer zwei und vergleichsweise kleiner Last,
4 ein Lambdakennfeld für den Zweitaktmotor im Schichtbetrieb und bei geringer Last,
5 eine Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoff-Abgasgemischs im Zylinder bei einem Schicht- und Homogenbetrieb und gleichzeitig geringer Last (Teillast),
6 eine Variation einer Auslassöffnung und einer Auslassschließung für geringe Last und Homogenbetrieb.
Entsprechend der 1 ist ein Kennfeld dargestellt, in welchem für einen Teillastbereich 1 und einen Volllastbereich 2 bzw. einen Bereich mit hoher Last unterschiedliche Abgasrückführraten AGR zwischen 50 und 70% im Teillastbereich 1 bzw. kleiner gleich 50% im Volllastbereich 2 aufgezeichnet sind. Das Kennfeld steht dabei für den Homogenbetrieb eines Zweitaktmotors bei einem Lambdawert λ ~ 2. Der Lambdawert λ gibt dabei ein Verhältnis zwischen Frischluft und Kraftstoff an, wobei ein Lambdawert λ < 1 für ein fettes Gemisch und ein Lambdawert λ > 1 für ein mageres Gemisch, d. h. ein Gemisch mit einem im Vergleich zum Kraftstoffanteil höheren Luftanteil steht. Wie der Darstellung in 1 zu entnehmen ist, kann insbesondere im Teillastbereich 1 mit unterschiedlichen Abgasrückführraten AGR gearbeitet werden, die dann in Abhängigkeit einer zugeordneten Motordrehzahl einen zugehörigen Mitteldruck bedingen. Die 1 stellt dabei das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für einen Zweitaktmotor dar, bei dem im Teillastbetrieb bzw. Teillastbereich 1 zur Optimierung des Wirkungsgrades und der Schadstoffemission eine geringe Zylinderfüllung erfolgt, bei der ein im Zylinder verbleibender (Rest-)Abgasanteil ca. 50–70% beträgt, der Lambdawert λ auf ca. zwei eingestellt ist und der Zweitaktmotor im Homogenbetrieb arbeitet. Im Volllastbereich 2 kann dabei eine variable Abgasrückführrate AGR für eine variable Leistungsanforderung gewählt werden.
In 2 ist ein Lambda-Kennfeld für den Homogenbetrieb des Zweitaktmotors dargestellt, wobei im Teillastbereich 1 der Lambdawert λ ungefähr 2 beträgt und eine homogene Zylinderladung erfolgt. Im Volllastbereich 2 kann der Lambdawert λ variieren, insbesondere an variable Leistungsanforderungen angepasst werden.
In 3 ist ein Kennfeld für einen Schichtbetrieb und ein Lambdawert λ >> 2 gezeigt, wobei im Volllastbereich ebenfalls wiederum eine variable Abgasrückführrate für eine variable Leistungsanforderung gewählt wird. Ebenso wie in 1 sinkt dabei der Mitteldruck bei zugehörigen Abgasrückführraten AGR mit steigender Motordrehzahl.
Ähnlich wie in 3 ist auch in 4 eine hohe Zylinderfüllung mit hohem Luftanteil und einem Schichtbetrieb gezeigt, wobei gemäß den 3 und 4 der Abgasrückführanteil im Zylinder geringer ist als der des Homogenbetriebs. Im Teillastbereich 1 beträgt dabei der Lambdawert λ ungefähr zwei bei einer homogenen Ladung, wogegen im Bereich 3 der Lambdawert λ > 2 ist und eine Schichtladung des Zylinders vorherrscht. Im Volllastbereich 2 hingegen der Lambdawert λ für unterschiedliche Leistungsanforderungen entsprechend variiert.
Betrachtet man die 5, so kann man die Unterschiede zwischen Schichtbetrieb und Homogenbetrieb erkennen, wobei im Homogenbetrieb der Lambdawert λ ungefähr zwei beträgt und damit deutlich kleiner ist als der vergleichbare Lambdawert λ im Schichtbetrieb. Ebenfalls deutlich reduziert sind die Abgasrückführrate AGR und der Luftanteil. Neben einer Veränderung eines Querschnitts einer Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung, lässt sich insbesondere im Teillastbetrieb auch eine Auslasssteuerzeit variieren, d. h. insbesondere eine Auslassöffnung AÖ und eine Auslassschließung AS verschieben hin zu einem späteren Kurbelwinkel KW. Eine späte Auslassöffnung AÖ ermöglicht insbesondere eine bessere Nutzung einer Expansionsarbeit EÖ bis AÖ, verringert die Luftzufuhr im Zylinder und schiebt zugleich mehr Abgas aus dem Zylinder durch ein späteres Auslassschließen AS aus. Insgesamt ergibt sich dadurch eine geringere Zylinderfüllung. Dies ist auch in 6 dargestellt.
Generell kann mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ein hoher Wirkungsgrad sowie geringe Schadstoffemissionen erreicht werden, damit der Zweitaktmotor wirtschaftlich und zugleich ökologisch betrieben werden kann. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Betriebsverfahren bei Verwendung einer Raumzündung, beispielsweise mittels Einstrahlung von Mikrowellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3690386 C2 [0002]
DE 4305468 A1 [0003]

Claims

Betriebsverfahren für einen Zweitaktmotor, bei dem in einem Teillastbetrieb (1) zur Optimierung des Wirkungsgrades und der Schadstoffemissionen entweder – eine geringe Zylinderfüllung erfolgt, bei der ein im Zylinder verbleibender Abgasanteil (AGR) 50–70% beträgt, ein Lambdawert (λ) auf ca. zwei eingestellt und der Zweitaktmotor im Homogenbetrieb arbeitet, oder – eine hohe Zylinderfüllung erfolgt, bei der ein im Zylinder verbleibender Abgasanteil (AGR) ca. 50% beträgt, ein Lambdawert größer als zwei ist und der Zweitaktmotor im Schichtbetrieb arbeitet.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen Lastanforderungen und/oder im Volllastbetrieb (2) der Abgasanteil (AGR) gesenkt und eine homogene Verbrennung im Zylinder eingestellt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen Lastanforderungen Und/oder im Volllastbetrieb (2) der Lambdawert (λ) gesenkt und eine homogene Verbrennung im Zylinder eingestellt wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere in einem Teillastbetrieb (1) eine veränderbare Auslasssteuerzeit angepasst wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere in einem Teillastbetrieb (1) ein Querschnitt einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung angepasst werden/wird.
Mit einem Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 betriebener Zweitaktmotor (1).