DE102011078458A1 - Combustion method for four-stroke reciprocating internal combustion engine with spark ignition, involves operating internal combustion engine with stoichiometric fuel-air mixture, and changing load in cylinder of internal combustion engine - Google Patents

Combustion method for four-stroke reciprocating internal combustion engine with spark ignition, involves operating internal combustion engine with stoichiometric fuel-air mixture, and changing load in cylinder of internal combustion engine Download PDF

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Abstract

The combustion method involves operating an internal combustion engine with a stoichiometric fuel-air mixture, and changing load in the cylinder of the internal combustion engine with a gas exchange inlet and a gas exchange outlet valve. The control time of the gas exchange valves is varied. The gas exchange valve kerning is retained between 5 and 25 percentage of the residual gas in the cylinder before a working cycle at a partial load of the internal combustion engine. The maximum speed of the internal combustion engine is applied over an idle speed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a combustion method for a four-stroke reciprocating internal combustion engine with the features of the preamble of patent claim 1.

Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine sowie ein Betriebsverfahren für die Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 48 137 A1 bekannt. Aus dieser Schrift ist es bekannt, bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine in den Zylindern ein brennbares Kraftstoffgemisch mit Kraftstoff und Frischgas zu bilden, wobei die Zuführung des Frischgases durch Einlasskanäle und die Abführung von Verbrennungsabgasen durch Auslasskanäle erfolgt. Diese sind zur Durchführung des Ladungswechsels von Einlassventilen und Auslassventilen freigebbar, die von einem Ventiltrieb angesteuert werden. In einem Teil des Lastbereiches der Brennkraftmaschine ist eine Betriebsart mit Fremdzündung (Otto) vorgesehen, mit einer Gemischzündung durch eine Zündkerze. In einem anderen Lastbereich wird die Brennkraftmaschine mit einer Kompressionszündung (RZV) des Gemisches betrieben, bei welcher die Steuerung der Gaswechselventile derart verändert wird, dass Verbrennungsabgase im Brennraum durch eine Ventilunterschneidung zurückgehalten werden und beim folgenden Arbeitsspiel des Zylinders an der Frischgemischbildung teilnehmen. Um mit einfachen baulichen Mitteln Klopfen und Laufungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine, insbesondere beim Wechseln der Betriebsarten zwischen Fremdzündungsmodus (Otto) und der Betriebsart mit Kompressionszündung (RZV) zu vermeiden, wird in dieser Offenlegungsschrift vorgeschlagen, die Phasenlage der Öffnungsvorgänge der Gaswechselventile im Arbeitszyklus zu verändern.A generic internal combustion engine and an operating method for the internal combustion engine is for example from the German patent application DE 103 48 137 A1 known. From this document it is known to form a combustible fuel mixture with fuel and fresh gas in a reciprocating internal combustion engine in the cylinders, wherein the supply of the fresh gas through inlet channels and the discharge of combustion exhaust gases through outlet channels. These are releasable to carry out the charge exchange of intake valves and exhaust valves, which are controlled by a valve train. In a part of the load range of the internal combustion engine, a mode of operation with spark ignition (Otto) is provided with a mixture ignition by a spark plug. In another load range, the internal combustion engine is operated with a compression ignition (RZV) of the mixture, in which the control of the gas exchange valves is changed such that combustion exhaust gases are retained in the combustion chamber by a valve undercut and participate in the fresh working mixture of the next working cycle of the cylinder. In order to avoid knocking and nonuniformity of the internal combustion engine with simple structural means, in particular when changing the modes between spark-ignition (Otto) and compression ignition (RZV), it is proposed in this publication to change the phase position of the opening operations of the gas exchange valves in the work cycle.

Werter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 014 986 A1 ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt, denen jeweils ein Einlassventil, ein Auslassventil und ein Brennraum zugeordnet sind, einer mit einem Nockenwellenversteller verbundenen Einlassnockenwelle, einer mit einem Nockenwellenversteller verbundenen Auslassnockenwelle, einem schaltbaren Einlassventiltrieb, der zur Betätigung des jeweiligen Einlassventils mehrere Einlassnocken aufweist, einem schaltbaren Auslassventiltrieb, der zur Betätigung des jeweiligen Auslassventils mehrere Auslassnocken aufweist und einer Abgasanlage, wobei die Brennkraftmaschine betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird und für die Kompressionszündung eine bestimmte Abgasrestmenge im Brennraum eingestellt wird. Weiterhin wird die Brennkraftmaschine betriebspunktabhängig mit einem Auslassnocken betrieben, mit dem eine erste Auslassöffnungsphase und eine zweite Auslassöffnungsphase erfolgen, wobei die zweite Auslassöffnungsphase während einer Einlassöffnungsphase beginnt In einem ersten Betriebspunkt, in einem Kompressionszündungsmodus, wird die Abgasrestmenge im Brennraum in Abhängigkeit von einer zwischen dem Einlass- und dem Auslassventil während eines Ladungswechsels eingestellten Ventilunterschneidung bemessen, wobei in einem zweiten Betriebspunkt im Kompressionszündungsmodus die Abgasrestmenge im Brennraum in Abhängigkeit von einer Dauer der zweiten Auslassöffnungsphase bemessen wird.Werter is from the German publication DE 10 2009 014 986 A1 a method for operating a multi-cylinder internal combustion engine, each associated with an intake valve, an exhaust valve and a combustion chamber, an intake camshaft connected to a phaser, an exhaust camshaft connected to a camshaft phaser, a switchable intake valve train having a plurality of intake cams for actuating the respective intake valve comprising a switchable exhaust valve drive having a plurality of exhaust cams for actuating the respective exhaust valve and an exhaust system, wherein the internal combustion engine is operated depending on the operating point with compression ignition or spark ignition and for the compression ignition a certain amount of exhaust gas is set in the combustion chamber. Furthermore, the internal combustion engine is operated depending on the operating point with an exhaust cam, with which a first Auslaßöffnungsphase and a second Auslaßöffnungsphase take place, wherein the second Auslaßöffnungsphase begins during an intake port phase At a first operating point, in a compression ignition mode, the exhaust gas remaining amount in the combustion chamber in dependence on a between the inlet and at a second operating point in the compression ignition mode, the exhaust gas remaining amount in the combustion chamber is measured in dependence on a duration of the second outlet opening phase.

Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist die in der Praxis nur schwer kontrollierbare Kompressionszündung.A disadvantage of the known prior art is difficult to control compression ignition in practice.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stöchiometrisches, fremdgezündetes Brennverfahren aufzuzeigen, welches eine stabile, kontrollierbare Verbrennung aufweist und kraftstoffsparend ist.The object of the present invention is to disclose a stoichiometric, spark-ignited combustion process which has stable, controllable combustion and is fuel-efficient.

Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the feature in the characterizing part of patent claim 1.

Durch das erfindungsgemäße Zurückhalten von heißem Restgas, bzw. Abgas im Zylinder wird die Restgasverträglichkeit bei der Verbrennung wesentlich erhöht und das Durchbrennverhalten verbessert. Durch die Ähnlichkeit der Ladungswechselstrategie wird bei einer Kombination des erfindungsgemäßen Brennverfahrens mit einem HCCI-Brennverfahren (homogenous charge compression ignition) eine Betriebsartenumschaltung von Selbst- auf Fremdzündung möglich, bei der nur die Ein- bzw. Auslassgaswechselventile verstellt (Hub und/oder Spreizung) werden und keine Verstellung der Drosselklappe und/oder ggf. des Anstellwinkels des AGR-Ventils (Abgasrückführventil) erfolgt. Hierdurch ist eine schnellere und exaktere Betriebsartenumschaltung zwischen dem erfindungsgemäßen Brennverfahren und einem HCCI-Brennverfahren möglich (Vermeidung von „Überschwingern”) durch eine Steuerung direkt an den Ladungswechselorganen, bei geringeren Stellwegen bezüglich Gaswechselventilhub bzw. Nockenwellenspreizung. Durch die gegenüber einem konventionellen Otto-Brennverfahren geänderte Ladungswechselstrategie müssen keine Spreizungen kleiner 70° in Form von Ventiltaschen im Kolben vorgehalten werden. Dies gestattet eine günstigere Brennraumgestaltung und kleinere Feuerstege sind auch möglich. Hieraus resultieren folgende Vorteile:

  • 1. Geringere HC-Rohemission (Kohlenwasserstoffrohemission), was zu einer Entlastung der Abgasnachbehandlung führt, d. h. zur Erfüllung der gleichen Emissionsstufe ist eine geringere Edelmetallbeladung des Katalysators ausreichend bzw. ist die Darstellung einer höheren Emissionsstufe mit gleicher Edelmetallbeladung möglich.
  • 2. Günstigere Brennraumgestaltung, d. h. eine verringerte Klopf- bzw. Vorentflammungsneigung. Hierdurch sind höhere Aufladegrade bzw. eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses möglich, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades und einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt.
Due to the retention of hot residual gas or exhaust gas in the cylinder according to the invention, the residual gas compatibility during combustion is substantially increased and the burn-through behavior is improved. Due to the similarity of the charge cycle strategy, a combination of the combustion method according to the invention with a homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion method makes it possible to switch from self-ignition to spark ignition, in which only the intake or exhaust gas exchange valves are adjusted (stroke and / or spread) and no adjustment of the throttle valve and / or possibly the angle of attack of the EGR valve (exhaust gas recirculation valve) takes place. As a result, a faster and more accurate mode switching between the combustion method according to the invention and a HCCI combustion method is possible (avoidance of "overshoots") by a control directly on the charge exchange organs, with smaller travel ranges regarding Gaswechselventilhub or camshaft spread. By changing compared to a conventional gasoline combustion process charge exchange strategy no spreads smaller than 70 ° in the form of valve pockets in the piston must be kept. This allows a more favorable combustion chamber design and smaller Feuerstege are also possible. This results in the following advantages:
  • 1. Lower HC raw emission (hydrocarbon raw emission), which leads to a relief of the exhaust aftertreatment, ie to fulfill the same emission level is a lower noble metal loading of the catalyst is sufficient or the representation of a higher emission level with the same precious metal loading is possible.
  • 2. Cheaper combustion chamber design, ie a reduced knock or Vorentflammungsneigung. As a result, higher Aufladegrade or an increase in the compression ratio are possible, which leads to an improvement in the efficiency and a reduction in fuel consumption.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennverfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous developments of the combustion process according to the invention are described in the subclaims.

In vorteilhafter Weise lässt sich das Brennverfahren von knapp über einer Leerlaufdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl bei einer niedrigen Last der Brennkraftmaschine einsetzen.Advantageously, the combustion process can be used from just above an idling speed to a maximum speed at a low load of the internal combustion engine.

Ferner ist es möglich, den Kraftstoff direkt in den Brennraum einzubringen, wodurch eine nochmalige Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs möglich ist.Further, it is possible to introduce the fuel directly into the combustion chamber, whereby a further reduction in fuel consumption is possible.

Mit einem ein- und/oder auslassseitig vorgesehenen hub- und/oder zweitvariablen Ventiltrieb, lässt sich die im Zylinder zurückgehaltene Abgasmenge besonders gut einstellen.With a provided on the inlet side and / or outlet side hub and / or second variable valve train, the amount of exhaust gas retained in the cylinder can be adjusted particularly well.

Mit Hilfe einer zusätzlichen externen Abgasrückführung (AGR) ergeben sich die größten Kraftstoffverbrauchsvorteile.With the help of an additional external exhaust gas recirculation (EGR) results in the largest fuel consumption advantages.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennverfahren für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Fremdzündung, die mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betreibbar ist. Für den Ladungswechsel sind für jeden Zylinder zumindest ein Gaswechseleinlass- und ein Gaswechselauslassventil vorgesehen. Die Steuerzeit der Gaswechsetventile ist beispielsweise durch einen Nockenwellenversteller variierbar. Ein derartiger Nockenwellenversteller verstellt eine relative Winkellage einer Nockenwelle bezüglich einer Kurbelwelle.The invention relates to a combustion method for a four-stroke reciprocating internal combustion engine with a spark ignition, which is operable with a stoichiometric fuel-air mixture. For the change of charge, at least one gas exchange inlet valve and one gas exchange outlet valve are provided for each cylinder. The control time of the gas exchange valves can be varied, for example, by a camshaft adjuster. Such a camshaft adjuster displaces a relative angular position of a camshaft relative to a crankshaft.

Erfindungsgemäß wird bei einer Teillast der Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Gaswechselventilunterschneidung zwischen 5% und 25% Restgas im Zylinder vor einem Arbeitsspiel zurückgehalten. Bei einer Gaswechselventilunterschneidung öffnet das Gaswechseleinlassventil erst, wenn das Gaswechselauslassventil vollständig geschlossen ist. In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Brennverfahren von knapp über einer Leerlaufdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Hierbei kann der Kraftstoff auch direkt in einen Zylinder eingespritzt werden oder indirekt in ein Saugrohr.According to the invention, a partial load of the internal combustion engine is retained by means of a gas exchange valve undercutting between 5% and 25% residual gas in the cylinder before a working cycle. In a Gaswechselventilunterschneidung the gas exchange inlet valve opens only when the Gaswechselauslassventil is fully closed. Advantageously, the combustion method according to the invention can be used from just above an idling speed to a maximum speed of the internal combustion engine. Here, the fuel can also be injected directly into a cylinder or indirectly into a suction pipe.

Hieraus resultieren folgende Vorteile:

  • 1. Geringere HC Rohemission (Kohlenwasserstoffrohemission), was zu einer Entlastung der Abgasnachbehandlung führt, d. h. zur Erfüllung der gleichen Emissionsstufe ist eine geringere Edelmetallbeladung des Katalysators ausreichend bzw. ist die Darstellung einer höheren Emissionsstufe mit gleicher Edelmetallbeladung möglich.
  • 2. Günstigere Brennraumgestaltung, d. h. eine verringerte Klopf- bzw. Vorentflammungsneigung. Hierdurch sind höhere Aufladegrade bzw. eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses möglich, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades und einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt.
This results in the following advantages:
  • 1. Lower HC raw emission (hydrocarbon raw emission), which leads to a relief of the exhaust aftertreatment, ie to fulfill the same emission level is a lower noble metal loading of the catalyst is sufficient or the representation of a higher emission stage with the same precious metal loading is possible.
  • 2. Cheaper combustion chamber design, ie a reduced knock or Vorentflammungsneigung. As a result, higher Aufladegrade or an increase in the compression ratio is possible, resulting in an improvement in the efficiency and a reduction in fuel consumption.

Der Restgasanteil ist definiert als das Verhältnis der nach Abschluss eines Ladungswechsels in einem Frischgemisch enthaltenen Abgasmenge zur gesamten Zylinderladung.The residual gas content is defined as the ratio of the amount of exhaust gas contained in a fresh mixture after completion of a charge cycle to the total cylinder charge.

Besonders bevorzugt kommt ein hub- und/oder zeitvariabler Ventiltrieb beispielsweise die BMW Valvetronic auslassseitig (wie bei einem HCCI-Brennverfahren) zur Restgassteuerung im fremdgezündeten Betrieb im unteren und mittleren Lastbereich der Brennkraftmaschine zum Einsatz. Die Restgassteuerung wird durch Abgasrückhalten im Zylinder, d. h. durch eine Ventilunterscheidung statt einer Ventilüberschneidung dargestellt. Dies bedeutet, das Gaswechselauslassventil schließt deutlich vor einem Ladungswechsel-OT (oberer Totpunkt des Kolbens). Hierdurch werden die Verbrennungsgase nicht vollständig in den Abgastrakt ausgeschoben. Das Gaswechseleinlassventil öffnet typischerweise nach einem Ladungswechsel-OT (hieraus resultiert kein oder nur moderates Rückströmen von Restgas ins Saugrohr). Dies bedeutet, dass die Ladungswechselstrategie ähnlich wie beim HCCI-Brennverfahren ist, jedoch mit deutlich „moderateren” Steuerzeiten (kleinere Einlass-/Auslassspreizungen als beim HCCI-Brennverfahren) und Ventilhüben (größerer Gaswechselventilhub an Ein- und Auslassseite als beim HCCI-Brennverfahren), somit geringerer Restgasanteil als beim HCCI-Brennverfahren und Betrieb der Brennkraftmaschine mit Fremdzündung anstelle von Selbstzündung.Particularly preferably, a variable-stroke and / or time-varying valve drive, for example the BMW Valvetronic, is used on the outlet side (as in the case of a HCCI combustion process) for residual gas control in spark-ignited operation in the lower and middle load range of the internal combustion engine. The residual gas control is characterized by exhaust gas retention in the cylinder, i. H. represented by a valve distinction instead of a valve overlap. This means that the gas exchange outlet valve closes significantly before a charge exchange TDC (top dead center of the piston). As a result, the combustion gases are not fully ejected into the exhaust system. The gas exchange inlet valve typically opens after a charge exchange TDC (resulting in no or only moderate backflow of residual gas into the intake manifold). This means that the charge cycle strategy is similar to the HCCI combustion process, but with significantly "more moderate" timing (smaller intake / exhaust spreads than the HCCI combustion process) and valve strokes (larger gas swing valve lift on the intake and exhaust side than the HCCI combustion process), thus lower residual gas content than the HCCI combustion process and operation of the internal combustion engine with spark ignition instead of auto-ignition.

Lastabhängig unterschiedliche Restgasanteile lassen sich über die Verstellung der Auslassphase (beispielsweise über einen Nockenwellenversteller) und/oder Variation des Auslassgaswechselventilhubes erzeugen, eine zusätzliche Beimischung extern zurückgeführten Abgases (externe AGR, ggf. gekühlt) kann genutzt werden, um die Entdrosselung zu verbessern und die Verbrennungsgeschwindigkeit zu kontrollieren (z. B. zur Vermeidung von Klopfen).Depending on the load different residual gas components can be generated via the adjustment of the exhaust phase (for example via a camshaft adjuster) and / or variation of Auslassgaswechselventilhubes, an additional admixture externally recirculated exhaust gas (external EGR, possibly cooled) can be used to improve the Entdrosselung and the combustion rate to control (eg to avoid knocking).

Das erfindungsgemäße Brennverfahren ist prinzipiell auch mit anderen Gaswechselventilsteuerungen darstellbar, die mindestens eine einstufige Ventilhubreduktion am Auslass erlauben (z. B. Honda V-Tec bei Anwendung auslassseitig, Audi AVS etc.), sowie über eine auslassseitige Phasenverstellung verfügen.The combustion process according to the invention is in principle also with others Gas exchange valve controls can be displayed that allow at least one single-stage valve lift reduction at the outlet (eg Honda V-Tec when used on the exhaust side, Audi AVS, etc.) as well as an outlet-side phasing.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10348137 A1 [0002] DE 10348137 A1 [0002]
  • DE 102009014986 A1 [0003] DE 102009014986 A1 [0003]

Claims (5)

Brennverfahren für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Fremdzündung, die mit einem stöchiometrischen Kraftstoff Luft-Gemisch betreibbar ist, mit zumindest einem Gaswechseleinlass- und einem Gaswechselauslassventil für einen Ladungswechsel in zumindest einem Zylinder der Brennkraftmaschine, wobei eine Steuerzeit der Gaswechselventile variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Teillast der Brennkraftmaschine mit einer Gaswechselventilunterschneidung zwischen 5% und 25% Restgas im Zylinder vor einem Arbeitsspiel zurück gehalten wird.A combustion method for a four-stroke reciprocating internal combustion engine with a spark ignition, which is operable with a stoichiometric fuel air mixture, with at least one Gaswechseleinlass- and a Gaswechselauslassventil for a gas exchange in at least one cylinder of the internal combustion engine, wherein a control time of the gas exchange valves is variable, characterized characterized in that at a partial load of the internal combustion engine with a Gaswechselventilunterschneidung between 5% and 25% residual gas in the cylinder is held back before a working cycle. Brennverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennverfahren von knapp über einer Leerlaufdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl der Brennkraftmaschine eingesetzt wird.Combustion method according to claim 1, characterized in that the combustion process is used from just above an idle speed up to a maximum speed of the internal combustion engine. Brennverfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoff direkt oder indirekt in einen Zylinder eingebracht wird.Combustion process according to claim 1 or 2, characterized in that a fuel is introduced directly or indirectly into a cylinder. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein- und/oder auslassseitig ein hub- und/oder zweitvariabler Ventiltrieb eingesetzt wird.Combustion method according to one of the claims 1 to 3, characterized in that on the inlet side and / or on the outlet side, a lift and / or second variable valve train is used. Brennverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Abgasrückführung vorgesehen ist.Combustion method according to one of the claims 1 to 4, characterized in that an external exhaust gas recirculation is provided.
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