DE102011015626A1

DE102011015626A1 - Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit NOx-armer Verbrennung (NAV)

Info

Publication number: DE102011015626A1
Application number: DE102011015626A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dieler Torsten; Dr.-Ing. Haase Dirk; Dr.-Ing. Herweg Rüdiger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: EP2625409A2; JP2013542366A; US9382834B2; DE102011015626B4; DE102011015626B9; WO2012045463A2; WO2012045463A3; JP5735117B2; US20130276753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor, z. B. eines Kraftfahrzeugs, mit NOx-armer Verbrennung (NAV). Bei dem erfindungsgemäßen NAV-Betriebsverfahren wird zu einem Zündzeitpunkt (ZZP) ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ ≥ 1 in dem jeweiligen Brennraum mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet, wobei eine durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht. Durch das NAV-Betriebsverfahren kann eine Raumzündverbrennung in einem Motorlastbereich durchgeführt werden, in dem ein reines RZV-Betriebsverfahren nicht mehr ausreichend betriebsstabil durchgeführt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Hubkolbenmotor, z. B. für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung in einem Kraftfahrzeug, mit NO_x-armer Verbrennung (NAV).
Um CO₂-Emissionswerte zu verbessern, kann man im Kraftfahrzeugbau neben anderen Maßnahmen Downsizing betreiben. Dabei versteht man unter Downsizing, Motoren mit kleinerem Hubraum so zu konstruieren, einzusetzen und zu betreiben, dass sie vergleichbare oder verbesserte Werte bezüglich des Fahrverhaltens erreichen, im Gegensatz zu vorangegangenen, hubraumgroßen Motoren. Durch Downsizing kann dabei der Kraftstoffverbrauch gesenkt und somit die CO₂-Emissionswerte reduziert werden. Zudem haben hubraumkleinere Motoren eine geringere absolute Reibleistung.
Hubraumkleinere Motoren zeichnen sich jedoch durch ein geringeres Drehmoment, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, aus und führen somit zu einem schlechteren Dynamikverhalten des Fahrzeuges, und damit beispielsweise zu einer schlechteren Elastizität. Durch dementsprechende Betriebsverfahren können Nachteile, die das Downsizing von Ottomotoren mit sich bringt, zumindest weitgehend kompensiert werden.
Aus der EP 1 543 228 B1 ist beispielsweise ein Betriebsverfahren bekannt, bei dem ein mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in dem jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine zur Selbstzündung veranlasst wird. Damit die Kompressionszündung zu dem gewünschten Zeitpunkt einsetzt, wird in das magere, homogene Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch bei dementsprechender Kompression kurz vor einer Fremdzündung Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, so dass sich eine fettere Gemischwolke bildet. Eingebettet in das magere, homogene Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch dient diese konzentrierte Gemischwolke als Zündinitiator für die kompressionsgezündete Verbrennung im Brennraum.
In der DE 10 2006 041 467 A1 ist ein Betriebsverfahren für einen Ottomotor mit homogener, kompressionsgezündeter Verbrennung beschrieben. Wird dabei im jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine das homogene Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, das mager ausgebildet ist, komprimiert, so stellt sich im Gegensatz zum fremdgezündeten, ottomotorischen Betriebsverfahren und ausgehend von der Zündstelle in dem Brennraum keine Flammenfrontverbrennung ein, sondern das homogene Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch zündet in dem jeweiligen Brennraum bei einer dementsprechenden Kompressionsrate an mehreren Stellen nahezu gleichzeitig durch, sodass sich in diesem Fall eine Raumzündverbrennung einstellt. Die Raumzündverbrennung (RZV) hat dabei im Vergleich zu dem ottomotorischen, fremdgezündeten Betriebsverfahren eine deutlich geringere Stickoxidemission bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches. Allerdings kann dieses emissionsarme, effiziente RZV-Betriebsverfahren mit Raumzündverbrennung nur in einem unteren und ggf. in einem mittleren Motorlast-/Motordrehzahlbereich eingesetzt werden, da mit sinkender Ladungsverdünnung die Klopfneigung ansteigt und somit der Einsatz des RZV-Betriebsverfahrens zu höheren Motorlastbereichen hin beschränkt ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, ein verbessertes oder zumindest ein alternatives Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, Brennkraftmaschine anzugeben, das sich insbesondere durch eine sichere Betriebsstabilität unter anderem in einem höheren Motorlastbereich bei gleichzeitiger NO_x-armer Verbrennung auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor, zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges, mit NO_x-armer Verbrennung (NAV), zu einem Zündzeitpunkt (ZZP) ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ ≥ 1 in dem jeweiligen Brennraum mittels einer Zündvorrichtung derart fremdzuzünden, dass die in dem jeweiligen Brennraum durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht.
Dieses erfindungsgemäße Betriebsverfahren wird fortfolgend als NAV-Betriebsverfahren bezeichnet.
Vorteilhaft kann dadurch mittels des NAV-Betriebsverfahrens zumindest teilweise eine Raumzündverbrennung (RZV) auch in einem höheren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet werden, als dies bei einem reinen RZV-Betriebsverfahren möglich ist. Durch die Fremdzündung ist dabei auch in dem höheren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereichen eine sichere Zündung des Kraftstoff- oder Abgas-/Luftgemisches in dem jeweiligen Brennraum gewährleistet. Aufgrund der stattfindenden Raumzündverbrennung (RZV) ist dabei auch bei dem NAV-Betriebsverfahren die NO_x-Emission vorteilhaft im Vergleich zu einem ottomotorischen Betriebsverfahren mit λ > 1 verringert bei gleichzeitig erhöhtem Wirkungsgrad hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches.
Eine direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine kann nach verschiedenen Betriebsverfahren betrieben werden. So sind mehrere ottomotorische Betriebsverfahren möglich. Das stöchiometrische, ottomotorische Betriebsverfahren weist ein Verbrennungsluftverhältnis oder auch Luftzahl λ = 1 auf und wird durch eine Zündeinrichtung fremdgezündet, wobei sich eine Flammenfrontverbrennung (FFV) einstellt. Das stöchiometrische, ottomotorische Betriebsverfahren kann im gesamten Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet werden. Bevorzugt wird es bei Anwendung auch anderer Betriebsverfahren im hohen Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet.
Ein ottomotorisches Betriebsverfahren kann fremdgezündet auch mit Luftüberschuss und somit mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 durchgeführt werden. Dieses Betriebsverfahren wird üblicherweise auch als DES-Betriebsverfahren (DirektEinspritzungSchicht) bezeichnet, wobei mittels mehrerer Direkteinspritzungen ein geschichtetes, insgesamt mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in der jeweiligen Brennkammer ausgebildet wird. Aufgrund der geschichteten Ausbildung sind in dem jeweiligen Brennraum zumindest idealisiert zwei Teilbereiche mit einem unterschiedlichen Verbrennungsluftverhältnis λ angeordnet. Diese Schichtung wird üblicherweise durch mehrere Einspritzungen erzeugt. Dabei kann zuerst durch eine oder mehrere Einspritzungen ein mageres, homogenes Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in dem jeweiligen Brennraum ausgebildet werden. In diesen mageren, homogenen Bereich wird dann durch eine letzte Einspritzung, die auch als Mehrfach-Einspritzung ausgebildet sein kann, im Bereich der Zündeinrichtung eine Gemischwolke positioniert, die fetter ausgebildet ist, als der magere, homogene Bereich. Dieses Verfahren wir üblicherweise als HOS (HomogenSchicht) bezeichnet. Durch die fettere Gemischwolke im Bereich der Zündeinrichtung kann das insgesamt magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in der Brennkammer gezündet werden und durch eine Flammenfrontverbrennung (FFV) umgesetzt werden. Die DES- und HOS Teilbetriebsverfahren werden bevorzugt in einem unteren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet.
Die DES-, und HOS Teilbetriebsverfahren können auch kompressionsgezündet werden und werden dann üblicherweise aber nicht mehr als DES-, HOS-Teilbetriebsverfahren bezeichnet.
Ebenfalls in einem unteren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich kann das RZV-Betriebsverfahren angewendet werden, bei dem ein mageres, homogenes Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in dem jeweiligen Brennraum durch Raumzündverbrennung und somit kompressionsgezündet gestartet wird. Im Gegensatz zu einem ottomotorischen Betriebsverfahren, bei dem durch Fremdzündung eine Flammenfrontverbrennung (FFV) auftritt, beginnt bei dem RZV-Betriebsverfahren das in der jeweiligen Brennkammer angeordnete Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch nahezu gleichzeitig in mehreren Bereichen der jeweiligen Brennkammer durchzuzünden, sodass eine Raumzündverbrennung auftritt. Das RZV-Betriebsverfahren weist gegenüber den ottomotorischen Betriebsverfahren eine deutlich geringere NO_x-Emission auf und zeichnet sich gleichzeitig durch einen geringeren Kraftstoffverbrauch aus.
Das erfindungsgemäße NAV-Betriebsverfahren kann nun als Kombination aus einem fremdgezündeten, ottomotorischen Betriebsverfahren und einem RZV-Betriebsverfahren verstanden werden. Dabei liegt bei dem NAV-Betriebsverfahren ein homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch vor, das mittels einer Zündeinrichtung fremdgezündet wird. Nach einer anfänglichen Flammenfrontverbrennung (FFV) geht die Verbrennung des homogenen Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches bei dem NAV-Betriebsverfahren jedoch in eine Raumzündverbrennung (RZV) über. Demzufolge weist auch das NAV-Betriebsverfahren im Vergleich zu den ottomotorischen Betriebsverfahren aufgrund der auftretenden Raumzündverbrennung (RZV) einen verringerten Kraftstoffverbrauch und eine reduzierte NO_x-emission auf.
Im Gegensatz zum RZV-Betriebsverfahren wird bei dem NAV-Betriebsverfahren die Verbrennung durch eine Zündeinrichtung fremdgezündet. Unter anderem deshalb ist, insbesondere im höheren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich, die Betriebsstabilität der Gemischzündung und/oder der Verbrennung deutlich verbessert. Somit beginnt das homogene, magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in Art einer ottomotorischen Flammenfronverbrennung (FFV) zu verbrennen, die dann anschließend in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht. Somit kombiniert das NAV-Betriebsverfahren die Vorteile der Raumzündverbrennung (RZV) und der ottomotorischen, betriebsstabilen Zündung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches. Dabei kann gesteuert durch die Bereitstellung eines dementsprechend zusammengesetzten Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches im jeweiligen Brennraum sowie gesteuert durch das Fremdzünden mittels einer Zündeinrichtung zum richtigen Zeitpunkt dieses erfindungsgemäße NAV-Betriebsverfahren durchgeführt werden.
Das NAV-Betriebsverfahren zeichnet sich durch einen geringen Druckgradienten und durch eine Reduzierung der Klopfneigung aus. Demzufolge ist mittels des NAV-Betriebsverfahrens auch eine Raumzündverbrennung (RZV) in einem höheren Motorlastbereich durchführbar, in dem das reine RZV-Betriebsverfahren aufgrund des ansteigenden Druckgradienten und wegen irregulärer Verbrennungszustände, insbesondere wegen der erhöhten Klopfneigung, nicht mehr ausreichend betriebsstabil durchgeführt werden kann.
Ein Vergleich der Betriebsverfahren führt zu folgendem Ergebnis:

Betriebsverfahren Kraftstoffverbrauch NO_x-Emission Einsatzbereich Laufruhe

ottomotorisch λ = 1 +/– +/– +++ +/–

DES +++ -- + +/–

RZV ++ +++ + +/–

NAV ++ ++ ++ ++

(–≙ Verschlechterung, +≙ Verbesserung, ++≙ gute Verbesserung, +++≙ sehr gute Verbesserung)
Demzufolge weisen Betriebsverfahren mit Raumzündverbrennung (RZV) gegenüber stöchiometrischen, ottomotorischen Brennverfahren sowohl einen verringerten Kraftstoffverbrauch als auch reduzierte NO_x-Emissionswerte auf. Zudem kann der Einsatzbereich durch das NAV-Betriebsverfahren hinsichtlich der effizienten Raumzündverbrennung erweitert werden. Auch ist die Laufruhe beim NAV Brennverfahren gegenüber dem Betriebsverfahren mit Raumzündung verbessert.
Unter einem mageren Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch ist ein Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch zu verstehen, das ein Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1 und somit einen Luftüberschuss aufweist, während ein fettes Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch ein Verbrennungsluftverhältnis von λ < 1 aufweist. Stöchiometrie liegt bei λ = 1 vor.
Das Verbrennungsluftverhältnis ist eine dimensionslose, physikalische Größe, mit der eine Gemischzusammensetzung eines Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches beschrieben wird. Das Verbrennungsluftverhältnis λ wird dabei als Quotient aus der tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse und der mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse für eine vollständige Verbrennung des vorhandenen Kraftstoffes berechnet. Ist demnach λ = 1, so spricht man von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis bzw. Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, und im Falle von λ > 1 von einem mageren Verbrennungsluftverhältnis bzw. Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch. Liegt zudem zumindest λ = 1 oder λ < 1 vor, so spricht man auch von einem fetten Verbrennungsluftverhältnis bzw. Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch.
Bevorzugt liegt beim NAV-Betriebsverfahren zum Zündzeitpunkt (ZZP) ein Verbrennungsluftverhältnis λ von 1 bis 2 vor.
Des Weiteren kann die Gemischzusammensetzung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches durch die Ladungsverdünnung angegeben werden. Unabhängig ob nun ein mageres oder ein fettes oder stöchiometrisches Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch vorliegt, gibt die Ladungsverdünnung an, wie viel Kraftstoff in Relation zu den anderen Komponenten des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches in der jeweiligen Brennkammer positioniert wurde. Dabei ist die Ladungsverdünnung der Quotient aus der Masse an Kraftstoff und der Gesamtmasse an Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, die in der jeweiligen Brennkammer vorliegt.
Bevorzugt wird bei dem NAV-Betriebsverfahren eine Ladungsverdünnung von 0,03 bis 0,05 eingestellt.
Da der Zündzeitpunkt beim NAV-Betriebsverfahren eine wesentliche Rolle spielt, wird bevorzugt der Zündzeitpunkt bei einem Kurbelwellenwinkel (KWW) von –45 bis –10° KWW angeordnet.
Unter dem Kurbelwellenwinkel versteht man eine in Grad eingeteilte Bewegung des Kolbens in dem jeweiligen Zylinder bzw. Brennraum. Im Falle eines Viertaktzyklus, bei dem ein Ansaugtakt in einen Kompressionstakt und dann in einen Expansionstakt und darauffolgend in einen Ausstoßtakt übergeht, wird üblicherweise der obere Totpunkt des in den jeweiligen Brennraum bzw. Zylinder eingefahrenen Kolbens zwischen dem Kompressionstakt und dem Expansionstakt mit dem Kurbelwellenwinkel von 0° referenziert. Ausgehend von diesem oberen Totpunkt bei 0° KWW nimmt der Kurbelwellenwinkel in Richtung des Expansionstaktes und Ausstoßtaktes zu und in Richtung des Verdichtungstaktes und Ansaugtaktes ab. Der Ansaugtakt ist in dieser Einteilung zwischen –360° KWW und –180° KWW angeordnet, der Kompressionstakt zwischen –180° KWW und 0° KWW, der Expansionstakt zwischen 0° KWW und 180° KWW und der Ausstoßtakt zwischen 180° KWW und 360° KWW.
Unter einem Schwerpunkt der Verbrennungsumsetzung versteht man denjenigen Verbrennungszustand in dem jeweiligen Brennraum, bei dem 50% der eingebrachten Kraftstoffmenge umgewandelt worden ist. Üblicherweise wird dieses auf Basis des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik berechnet. Die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung ist demzufolge die zugehörige Kugelwellenwinkel-Position, bei der 50% der in der jeweiligen Brennkammer angeordneten Kraftstoffmenge umgesetzt worden ist.
Bevorzugt ist die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung bei dem NAV-Betriebsverfahren bei einem Kurbelwellenwinkel 8° KWW angeordnet. Bei höheren Motorlasten kann eine Spätverschiebung vorteilhaft sein.
Wird von einem weitgehend homogenen, mageren Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch gesprochen, so versteht man darunter ein homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, das im Wesentlichen homogen in dem jeweiligen Brennraum verteilt ist. Im idealen Fall ist dabei eine exakt homogene Ausbildung vorliegend. Im realen Fall können aber auch geringe Inhomogenitäten auftreten, die jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf das jeweilige Betriebsverfahren haben. Ein derartiges homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch kann durch Einfach- oder Mehrfacheinspritzung erzeugt werden Bevorzugt werden die Einspritzungen bzw. die Mehrfach-Einspritzungen lastabhängig und/oder drehzahlabhängig vorgenommen.
Bevorzugt wird das NAV-Betriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5% bis 70% der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt Ebenfalls bevorzugt wird das NAV-Betriebsverfahren bei einer Motorlast von 10% bis 70% der maximalen Motorlast der Brennkraftmaschine durchgeführt.
Zusätzlich kann bei dem NAV-Betriebsverfahren zur Aufheizung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches in dem jeweiligen Brennraum eine interne Abgasrückführung durchgeführt werden. Diese Abgasrückführung kann als Abgasrücksaugung und/oder Abgasrückhaltung ausgeführt werden. Bei der Abgasrücksaugung wird durch Ausstoßen des Abgases in den Ansaugtrakt und/oder in den Ausstoßtrakt mit nachfolgendem Rücksaugen dem jeweiligen Brennraum Abgas zugeführt. Alternativ oder zusätzlich zur Abgasrücksaugung, als interne Abgasrückführung, kann eine Abgasrückhaltung vorgenommen werden, bei der ein Teil des Abgases in dem jeweiligen Brennraum rückgehalten wird. Zur Abkühlung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches ist wiederum eine externe Abgasrückführung durchführbar, wobei das extern rückgeführte Abgas zudem noch gekühlt werden kann.
Bevorzugt liegen die NO_x-Emissionswerte des NAV-Betriebsverfahrens zwischen 0,5 bis 4 g je Kilowattstunde Fahrleistung.
Das NAV-Betriebsverfahren kann in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahren durchgeführt werden.
Bevorzugt kann in diesem Fall der Zündzeitpunkt (ZZP) und/oder eine Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung bei einem Kurbelwellenwinkel positioniert sein, der dem Kurbelwellenwinkel des Zündzeitpunktes (ZZP) und/oder der Schwerpunktlage eines fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahrens entspricht.
Bevorzugt wird in diesem Fall auch das NAV-Betriebsverfahren in einem Motordrehzahlbereich und/oder einem Motorlastbereich durchgeführt, in dem auch ein fremdgezündetes, geschichtetes DES-Betriebsverfahren möglich ist.
Besonders bevorzugt wird das NAV-Betriebsverfahren in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem RZV-Betriebsverfahren mit reiner Raumzündverbringung (RZV) durchgeführt.
Bevorzugt wird als ein solches Teilbetriebsverfahren mit zumindest teilweiser NAV-Verbrennung (NAV) ein NAV-Teilbetriebsverfahren mit hauptsächlich reiner NAV-Verbrennung (NAV) durchgeführt. Dabei ist unter hauptsächlich reiner NAV-Verbrennung (NAV) idealerweise ein NAV-Teilbetriebsverfahren zu verstehen, bei dem ausschließlich NAV-Verbrennung stattfindet. Jedoch kann zu einem gewissen Prozentsatz infolge von Störungen auch eine andere Art der Verbrennung stattfinden, die somit mit der Formulierung hauptsächlich reiner NAV-Verbrennung (NAV) umfasst ist. Im Wesentlichen wird mit dieser Formulierung darauf abgezielt, dass bei dem NAV-Teilbetriebsverfahren hauptsächlich reine NAV-Verbrennung (NAV) stattfindet, wobei durch Störungen des Teilbetriebsverfahrens auch andere Verbrennungszustände auftreten können, die allerdings die reine NAV-Verbrennung (NAV) nicht überwiegen oder ein wesentlicher Bestandteil des Teilbetriebsverfahrens sind.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1: Eine grafische Darstellung eines Brennverlaufes des NAV-Betriebsverfahrens,
2: ein Vergleich von Ventilhüben eines RZV-, NAV- und DES-Betriebsverfahrens,
3: eine grafische Darstellung eines Kennfeldbereiches des RZV- und NAV-Betriebsverfahren,
4: Einstellbedingungen des RZV- und NAV-Betriebsverfahrens.
In einem in 1 gezeigten Brennverlauf-Diagramm 1 eines NAV-Betriebsverfahrens ist auf einer Abszisse 2 der Kurbelwellenwinkel in Grad KWW abgetragen, während auf einer Ordinate 3 ein Brennverlauf BV in Joule aufgetragen ist. Der Brennverlauf des NAV-Betriebsverfahrens ist durch eine Kurve 4 dargestellt. Ein in dem jeweiligen Brennraum angeordnetes Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch wird zu einem Zündzeitpunkt 5 bei einem Kurbelwellenwinkel von –30° +/–5° KWW fremdgezündet. Bis zu einer Grenzlinie 6 verbrennt das in dem jeweiligen Brennraum angeordnete Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einer ottomotorischen Flammenfrontverbrennung (FFV). Ab der Grenzlinie 6 beginnt das durch die Flammenfrontverbrennung (FFV) weiter aufgeheizte und stärker unter Druck gesetzte Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in eine Raumzündverbrennung (RZV) überzugehen. Dabei werden eine für die Raumzündung notwendige Temperatur und ein ausreichend hoher Druck durch die voranschreitende Flammenfrontverbrennung (FFV) aufgebaut. Somit ist das NAV-Betriebsverfahren in eine Phase I der homogenen Flammenfrontverbrennung (FFV) und in eine Phase II der homogenen Raumzündverbrennung (RZV) unterteilbar, wobei beide Phasen I, II durch die Grenzlinie 6 begrenzt werden.
In einem Zylinderdruck-/Ventilhub-Diagramm 7 der 2 ist auf einer Abszisse 8 der Kurbelwellenwinkel in Grad KWW abgetragen, während auf den Ordinaten 9, 9' der Zylinderdruck P in Bar (links) bzw. der Ventilhub VH in Millimeter (rechts) aufgetragen ist. Die Kurven 10, 10', 10'' referenzieren jeweils die Zylinderdruckkurven des DES-, RZV-, und NAV-Betriebsverfahrens. Für diese Kurven gilt die Zylinderdruckeinteilung der linken Ordinate 9. Des Weiteren sind die DES-Ventilhub-Kurven 11, 11' die RZV-Ventilhub-Kurven 12, 12' und die NAV-Ventilhub-Kurven 13, 13' in das Zylinderdruck-Ventilhub-Diagramm 7 eingezeichnet. Für diese Kurven gilt die Ventilhubeinteilung der rechten Ordinate 9'. Bei Vergleich der Ventilhub-Kurven 11, 11', 12, 12', 13, 13' ist festzustellen, dass die NAV-Ventilhub-Kurven 13, 13' im Vergleich zu den DES-Ventilhub-Kurven 11, 11' deutlich kleiner ausfallen. Auch erstreckt sich die DES-Ventilhub-Kurve 11, 11' über einen größeren Kurbelwellenwinkel-Bereich als die NAV-Ventilhub-Kurve 13, 13'. Demzufolge ist bei einer derartigen DES-Ventilhub-Kurve 11, 11' eine Abgasrückhaltung bzw. eine interne Abgasrückführung nur unzureichend möglich. Im Gegensatz dazu kann mit derartigen NAV-Ventilhub-Kurven 13, 13' eine interne Abgasrückführung und/oder eine Abgasrückhaltung eingestellt werden.
Vergleicht man nun die RZV-Ventilhub-Kurven 12, 12' und die NAV-Ventilhub-Kurven 13, 13', so stellt man fest, dass die NAV-Ventilhub-Kurven 13, 13' einen geringfügig höheren Ventilhub aufweisen und zudem sich über einen größeren Kurbelwellenwinkelbereich erstrecken als die RZV-Ventilhub-Kurven 12, 12'. Demzufolge zeichnen sich derartige RZV-Ventilhub-Kurven 12, 12' durch eine größere Abgasrückhaltung bzw. interne Abgasrückführung aus und es können dadurch höhere Temperaturen in dem jeweiligen Brennraum eingestellt werden. Jedoch ist auch aufgrund der kleinen Hübe und kurzen Öffnungszeiten die Drosselung des Luftstromes groß. Demzufolge können für einen hohen Motorlastbereich derartige RZV-Ventilhub-Kurven 12, 12' nur eingeschränkt verwendet werden. Dies ist bei den vorliegenden NAV-Ventilhub-Kurven 13, 13' verbessert, da zum einen größere Ventilhübe eingestellt werden können und da zum anderen die Öffnung des Ventiles über einen größeren Kurbelwellenwinkelbereich stattfindet. Demzufolge lässt sich mittels derartiger NAV-Ventilhub-Kurven 13, 13' auch eine geringere Temperatur in dem jeweiligen Brennraum einstellen und die angesaugte Luftmenge ist größer als mit den in der 2 dargestellten RZV-Ventilhub-Kurven 12, 12'.
In 3 ist in einem Motorlast-/Motordrehzahl-Diagramm 14 ein Kennfeld 15 für das RZV-Betriebsverfahren und ein Kennfeld 16 für das NAV-Betriebsverfahren eingezeichnet. In dem Motorlast-/Motordrehzahl-Diagramm 14 ist auf der Abszisse 17 die Drehzahl n abgetragen, während auf der Ordinate 18 die Motorlast M abgetragen ist. Eine Grenzkurve 19 begrenzt denjenigen Motorlast- bzw. Motordrehzahlbereich, in dem die Brennkraftmaschine betrieben werden kann. In dem Motorlast-/Motordrehzahl-Bereich 20, der nicht von dem Kennfeld 15 des RZV-Betriebsverfahrens und auch nicht von dem Kennfeld 16 des NAV-Betriebsverfahrens eingenommen wird, kann ein ottomotorisches Betriebsverfahren durchgeführt werden.
Ein Einstellbedingungs-Diagramm 21, dargestellt in 4, stellt schematisch Einstellbedingungen für das RZV-Betriebsverfahren und für das NAV-Betriebsverfahren dar. Auf einer Abszisse 22 ist die Ladungsverdünnung abgetragen, die in Richtung der Abszisse 22 abnimmt, visualisiert durch einen abnehmenden Balken 30. Demzufolge nimmt in Richtung der Abszisse 22 die Motorlast zu. Auf einer Ordinate 23 ist der Kurbelwellenwinkel des Zündzeitpunktes (ZZP) abgetragen, der ebenfalls in Orientierung der Ordinate 23 abnimmt, visualisiert durch einen abnehmenden Balken 30'. In dem Einstellbedingungs-Diagramm 21 sind die Betriebsbereiche 24, 25, 26, 27, 28, 29 eingezeichnet. Der Betriebsbereich 24 kennzeichnet einen möglichen Betriebsbereich des RZV-Betriebsverfahrens. In diesem sehr hohen Ladungsverdünnungsbereich ist es nicht möglich, das dementsprechend verdünnte Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch durch eine Zündvorrichtung fremdzuzünden. In diesem Betriebsbereich 24 kann vorteilhaft das RZV-Betriebsverfahren angewendet werden. Mit sinkender Ladungsverdünnung kann in dem Betriebsbereich 25 sowohl das RZV-Betriebsverfahren durchgeführt werden als auch das NAV-Betriebsverfahren. Durch Verwendung des NAV-Betriebsverfahrens kann mittels des Zündzeitpunktes die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung zu einem früheren Kurbelwellenwinkel hin verschoben werden.
Senkt man die Ladungsverdünnung weiter ab, so kommt man in den Betriebsbereich 26, in dem das RZV-Betriebsverfahren zwar durchgeführt werden kann, jedoch weist in diesem Ladungsverdünnungsbereich das RZV-Betriebsverfahren eine höhere Klopfneigung auf und zeichnet sich durch einen dementsprechend hohen Druckanstieg aus. Dadurch leidet das RZV-Betriebsverfahren in diesem Ladungsverdünnungsbereich unter einer erhöhten Betriebsinstabilität, die durch zum Beispiel eine externe Abgasrückführung verbessert werden kann. Dieser Betriebsbereich 26 kann durch das NAV-Betriebsverfahren übersprungen werden, wobei in diesem Fall ebenfalls durch dementsprechende Wahl des Zündzeitpunktes (ZZP) die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung zu einem geringen Kurbelwellenwinkel hin verschoben werden kann.
In dem Betriebsbereich 27 ist bevorzugt das NAV-Betriebsverfahren anzuwenden. In dem Betriebsbereich 28 kann ein ottomotorisches Betriebsverfahren angewendet werden. Üblicherweise kann in dem Betriebsbereich 29 weder das RZV-, NAV- oder DES-Betriebsverfahren angewendet werden.
Für einen weiter verbesserten Betrieb der Brennkraftmaschine ist das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine entsprechend vorteilhaft auszulegen. Insbesondere wird das NAV-Teilbetriebsverfahren bei einem Verdichtungsverhältnis ε von 10 bis 13 durchgeführt.
Das Verdichtungsverhältnis ε ist der Quotient aus einem Kompressionsvolumen des Brennraums bei einer Stellung des Kolbens in seinem oberen Totpunkt und der Summe aus dem Kompressionsvolumen und dem Hubvolumen des Brennraums bei einer Stellung des Kolbens in seinem unteren Totpunkt.
Bei einem Wechsel vom RZV-Teilbetriebsverfahren zum NAV-Teilbetriebsverfahren wird das Verdichtungsverhältnis ε abgesenkt. Aufgrund des abgesenkten Verdichtungsverhältnisses ε ist die Klopfneigung deutlich reduziert und eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung, sowie eine daraus resultierende erhöhte Betriebsstabilität des NAV-Teilbetriebsverfahrens gegeben.
Bei einem Wechsel vom NAV-Teilbetriebsverfahren zum RZV-Teilbetriebsverfahren wird das Verdichtungsverhältnis ε angehoben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1543228 B1 [0004]
DE 102006041467 A1 [0005]

Claims

Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor, wobei in einem Kennfeldbereich mit niedriger bis mittlerer Drehzahl und/oder niedriger bis mittlerer Last ein mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch durch Kompressionszündung gezündet wird und in einer Raumzündverbrennung (RZV) verbrennt, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kennfeldbereich mit Kompressionszündung zu höherer Last ein weiterer Kennfeldbereich anschließt, in dem zu einem Zündzeitpunkt (ZZP) ein homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ ≥ 1 in einem jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei dem eine durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in die Raumzündverbrennung (RZV) übergeht.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zündzeitpunkt (ZZP) ein Verbrennungsluftverhältnis λ zwischen 1 und 2 vorliegt.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zündzeitpunkt (ZZP) eine Ladungsverdünnung von 0.030 bis 0.05 Masse Kraftstoff/Gesamtmasse Brennrauminhalt vorliegt.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Kurbelwellenwinkel (KWW) von –45° bis –10° liegt und/oder die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung bei einem Kurbelwellenwinkel (KWW) von 8° liegt, wobei die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung in Abhängigkeit der Motorlast und/oder des Temperaturniveaus im Zylinder nach früh oder nach spät verschobenen sein kann.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitgehend homogene, magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch durch mehrere Einspritzungen erzeugt wird und/oder mehrere das weitgehend homogene, magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch erzeugende Einspritzungen lastabhängig und/oder drehzahlabhängig vorgenommen werden.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5% bis 70% der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder bei einer Motorlast von 10% bis 70% der maximalen Motorlast der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine interne Abgasrückführung und/oder eine externe Abgasrückführung durchgeführt wird/werden.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Emmisionswerte des Betriebsverfahrens zwischen 0,5 und 4 g/kWh Fahrleistung liegen.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsverfahren in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahren (DirektEinspritz Schicht) durchgeführt wird und/oder der Zündzeitpunkt (ZZP) und/oder eine Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung einem Zündzeitpunkt (ZZP) und/oder einer Schwerpunktlage eines fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahrens entspricht und/oder das Betriebsverfahren in einem Motordrehzahlbereich und/oder einem Motorlastbereich durchgeführt wird, in dem auch ein fremdgezündetes, geschichtetes DES-Betriebsverfahren möglich ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsverfahren in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem RZV-Betriebsverfahren mit reiner Raumzündverbrennung (RZV) durchgeführt wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel vom RZV-Teilbetriebsverfahren zum NAV-Teilbetriebsverfahren ein Verdichtungsverhältnis ε abgesenkt wird und bei einem Wechsel vom NAV-Teilbetriebsverfahren zum RZV-Teilbetriebsverfahren das Verdichtungsverhältnis ε angehoben wird.