DE102012102925B4

DE102012102925B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und entsprechende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012102925B4
Application number: DE102012102925.3A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Voss
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: DE102012102925A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine Laststeuerung durch eine Restgassteuerung im Brennraum erzielt wird und wobei eine zylinderselektive Umschaltung von Ventilhüben von Einlass- und Auslassventilen vorgesehen wird, wobei mindestens ein erster Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Fremdzündung erfolgt, wobei mindestens ein zweiter Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Selbstzündung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein schaltbares Aufladekonzept vorgesehen wird, bei dem durch eine Kombination von einem kleinen und zwei großen Abgasturboladern eine Vergrößerung mindestens eines Kennfeldbereiches der Selbstzündung erzielt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine entsprechende Brennkraftmaschine.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine beziehungsweise eine Brennkraftmaschine, bei der Benzin beziehungsweise Ottokraftstoffe für die Verbrennung verwendet wird.
Je nach Betriebspunkt wird die Verbrennung fremdgezündet, beispielsweise mit einer Zündkerze, oder mittels Selbstzündung durchgeführt. Bei direkteinspritzenden Ottobrennkraftmaschinen mit Selbstzündung werden homogene magere Kraftstoff/LuftGemische zur Selbstzündung gebracht, so dass hohe Wirkungsgrade und verbesserte Abgasemissionen erzielt werden. Bei hohen Lasten führt die Selbstzündung zu steilen Druckanstiegen im Brennraum, so dass hier die Verbrennung mittels einer gezielten Fremdzündung durchgeführt wird.
Beispielsweise wird bei solchen Brennkraftmaschinen in einem Teillastbereich ein homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch selbstgezündet, wobei in einem Vollastbereich so wie bei einem Kaltstart das Kraftstoff/Luft-Gemisch fremdgezündet wird.
Aus der DE 10 2009 014 087 A1 und DE 10 2009 014 086 A1 ist es bekannt, sowohl auf der Einlassseite als auch aus der Auslassseite einer Brennkraftmaschine jeweils ein Schiebenockensystem anzuordnen.
Die Anordnung von einem Turbolader in einer Ottobrennkraftmaschine mit Selbstzündungsmodus ist aus der DE 60 2005 003 329 T2 bekannt.
Aus der EP 2 241 740 A1 und der EP 2 239 447 A1 ist die Verwendung von einem kleinen und einem großen Turbolader zur Erweiterung eines Selbstzündungsbereichs einer Brennkraftmaschine bekannt.
Aus der EP 2 239 446 A1 ist es bekannt, eine Kraftstoffteilmenge vor der Zwischenkompression einzuspritzen.
DE 10 2005 031 241 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 und 5.
DE 10 2005 000 621 A1 , DE 10 2006 000 973 A1 und DE 10 2007 047 582 A1 offenbaren weiteren Stand der Technik.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Nach Anspruch 1 ist mindestens ein erster Kennfeldbereich vorgesehen, in dem die Verbrennung mittels Fremdzündung erfolgt, wobei mindestens ein zweiter Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Selbstzündung erfolgt, wobei ein schaltbares Aufladekonzept vorgesehen wird, bei dem durch eine Kombination von einem kleinen und zwei großen Abgasturboladern eine Vergrößerung mindestens eines Kennfeldbereiches der Selbstzündung erzielt wird. Je nach Lastbereich kann ein Turbinenzuschaltventil geöffnet oder geschlossen werden.
Nach Anspruch 5 ist mindestens ein erster Kennfeldbereich vorgesehen, in dem die Verbrennung mittels Fremdzündung erfolgt, wobei mindestens ein zweiter Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Selbstzündung erfolgt, wobei in mindestens einem Kennfeldbereich der Selbstzündung eine Piloteinspritzung vor einer Zwischenkompression von zurückgehaltenem Abgas erfolgt und wobei eine zweite Einspritzung lastabhängig nach der Zwischenkompression vorgenommen wird.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht in einer Betriebsstrategie zur Kennfeldausweitung der Selbstzündungsbereiche.
Eine Laststeuerung wird durch eine Restgassteuerung im Brennraum erzielt, bei der eine zylinderselektive Umschaltung der Ventilhübe über ein Schiebenockensystem vorgenommen wird. Hierzu ist vorzugsweise auf der Einlassseite ein dreistufiges Schiebenockensystem und auf der Auslassseite ein zweistufiges Schiebenockensystem vorgesehen.
Durch das Schiebenockensystem erfolgt eine variable Ventilhubumschaltung mittels auf Nockenträgern ausgebildeten Nocken, wobei die Nocken auf Stufen ausgebildet sind und unterschiedliche Nockenkonturen aufweisen. Ein zweistufiges System umfasst einen Nockenträger mit zwei unterschiedlichen Nockenkonturen, wobei ein dreistufiges System einen Nockenträger mit drei unterschiedlichen Nockenkonturen umfasst.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird in einem dritten, vierten und fünften Kennfeldbereich ebenfalls unterschiedlich gezündet. Je nach Kennfeldbereich werden die Ventilhübe sowohl beim Auslass- als auch beim Einlassventil unterschiedlich eingestellt.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:

1 Betriebsstrategien eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a-e die Nockensteuerungs- und Umschaltstrategien bei dem Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine überlagerte Darstellung der Einlass- und Auslassnockenkurven bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer zweireihigen CAI-Maschine mit dreistufiger Registeraufladung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Bestandteile.
1 zeigt Betriebsstrategien eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 sind fünf Kennfeldbereiche für einen Motor mit Ottoselbstzündung (CAI) und Fremdzündung (SI) vorgesehen. Insbesondere sind die Kennfeldbereiche 1,4 und 5 Fremdzündungsbereiche, wohingegen die Kennfeldbereiche 2 und 3 Ottoselbstzündungsbereiche mit Abgasrückhalten sind.
Die Ausführung der Motorsteuerung erfolgt durch eine einlassseitige und auslassseitige Nockenwellenverstellung. Insbesondere erfolgt eine zylinderselektive Ventilhubumschaltung über eine Schiebenockensystem, welches auf der Einlassseite dreistufig und auf der Auslassseite zweistufig ausgebildet ist. Die Schaltstrategie erfolgt über die Kennfeldbereiche SI1 - CAI 1 - CAI2 - SI2 - SI, gegebenenfalls unter Überspringungen von Bereichen abhängig von der Fahrdynamik. Die Einlassnocken werden sowohl für die Ottoselbstzündung als auch für die Fremdzündung verwendet. In einem SI-Hochlastbereich erfolgt ein später Einlassschluss sowie eine Reduzierung des effektiven Verdichtungsverhältnisses durch Rückschieben von Ladung.
2a-e zeigen die Nockensteuerungs- und Umschaltstrategien bei dem Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 2a erfolgt im Kennfeldbereich SI1 mit Lambda gleich 1 eine Steuerung mittels eines Auslassnockens A1 (groß) und mittels eines Einlassnockens E1 (klein).
Die Steuerzeiten am Einlassnocken E1 werden auf früh zur Entdrosselung zur Verbrauchsreduzierung und auf spät zur Vorbereitung auf die Umschaltung auf den Kennfeldbereich CAI variiert. Eine Variation am Auslassnocken A1 erfolgt auf „spät“ zu einer Erhöhung des Restgasanteils und damit zu einer weiteren Entdrosselung.
Gemäß 2b erfolgt im Kennfeldbereich CAI1 mit Lambda größer 1 ein Abgasrückhalten für niedrige Teillast. Insbesondere erfolgt eine Umschaltung vom Auslassnocken A1 auf den Auslassnocken A2, wobei der Einlassnocken E1 beibehalten wird. Die Restgassteuerung wird über das Auslassschließen durchgeführt. Ein frühes Auslassschließen ergibt einen hohen Restgasanteil bei einer geringen Last. Ein spätes Auslassschließen ergibt einen geringen Restgasanteil und dementsprechend höhere Last. Eine Laststeigerung erfolgt über die Steuerzeiten des Auslassnockens A2 auf spät und des Einlassnockens E1 auf früh zum Steuern der erforderlichen Luftmenge. Insbesondere erfolgt die Nockensteuerung für ein Abgasrückhalten bei niedriger Teillast mit optimaler Auslegung hinsichtlich Auslassöffnungsdauer (Expansions- und Ausschiebeverlust) und Einlassöffnungsdauer (Rückströmverlust).
Gemäß 2c erfolgt im Kennfeldbereich CAI2 mit Lambda größer 1 ein Abgasrückhalten für eine höhere Teillast.
Insbesondere wird eine Umschaltung von einem kleinen Einlassnocken E1 auf einen größeren Einlassnocken E2 durchgeführt, wobei der Auslassnocken A2 übernommen wird.
Eine Laststeigerung erfolgt analog zum Kennfeldbereich CAI 1 über die Steuerzeiten vom Auslassnocken A2 auf „spät“ beziehungsweise vom Einlassnocken E2 auf „früh“.
Die Restgassteuerung erfolgt über das Auslassschließen wobei eine Füllungssteigerung durch einen geringen Restgasanteil erzielbar ist. Die Anpassung der Einlasssteuerzeit und der Ladedruckaufbau wird zur weiteren Laststeigerung verwendet. Die Auslegung des Einlass- und des Auslassnockens ist für ein Abgasrückhalten bei höherer Teillast (Verbrauch, Abgas) optimiert.
Gemäß 2d ist in Kennfeldbereich SI2 ein Lambda gleich 1 vorgesehen und eine Fremdzündung für weiter erhöhte Teillast. Es erfolgt eine Umschaltung vom Auslassnocken A2 auf den großen Auslassnocken A1, wobei der Einlassnocken E2 übernommen wird.
Ansonsten erfolgt die Optimierung der Ein- und Auslass-Steuerzeiten hinsichtlich Verbrauch und Abgasemissionen.
Gemäß 2e ist im Kennfeldbereich SI eine Steuerung auf große Ventilhübe durch Auslassnocken A1 und Einlassnocken E3 vorgesehen. Die Steuerung vom Auslassnocken A1 und Einlassnocken E3 ist drehmomentorientiert und verbrauchsoptimal gestaltet.
In einem SI-Hochlastbereich erfolgt ein später Einlassschluss und eine Reduzierung des effektiven Verdichtungsverhältnisses durch das Rückschieben nach UT von Ladung („Atkinson“).
3 zeigt eine überlagerte Darstellung der Einlass- und Auslassnockenkurven bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für den ersten und zweiten Auslassnocken A1, A2 und den ersten bis dritten Einlassnocken E1, E2 bzw. E3.
4 ist eine schematische Darstellung einer zweireihigen CAI-Maschine mit dreistufiger Registeraufladung durch Kombination von drei Abgasturboladern unterschiedlicher Größe gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die schematische Darstellung gemäß 4 zeigt die Abgasseite der CAI-Maschine ohne Katalysatoren, Schalldämpfer etc. Die Luftseite ist nicht dargestellt.
In einer Kombination durch kontrollierte Selbstzündung und schaltbare Aufladung wird bei dieser Ausführungsform eine Vergrößerung des CAI-Kennfeldbereichs und eine Verbesserung des Ansprechens in der Dynamik erzielt.
In der ersten Stufe (Teillast CAI1 und CAI2) sind Turbinenzuschaltventile 4.1 und 4.2 geschlossen. Es erfolgen durch Hochlauf des kleinen Abgasturboladers ATL 1 insbesondere ein früher Ladedruckaufbau und eine Laststeigerung durch einen zunehmenden Ladedruck. Die zunehmende Luftmasse ermöglicht eine Kennfelderweiterung für den CAI-Betrieb, wobei gegebenenfalls eine Steuerung des Ladedrucks über ein Bypassventil 2 erfolgt.
In einer zweiten Stufe mit höherer Teillast ist das Turbinenzuschaltventil 4.1 geöffnet und das Turbinenzuschaltventil 4.2 geschlossen. Es erfolgt ein Hochlauf des Abgasturboladers ATL 3.1, und ebenfalls ein Ladedruckaufbau für weiter erhöhte Last.
In einer dritten Stufe für Hochlast beziehungsweise Volllast ist das Turbinenzuschaltventil 4.2 geöffnet und es erfolgt ein Hochlauf des Abgasturboladers ATL 3.2 mit einem Ladedruckaufbau für Hochlast und Volllast.
5 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 5 wird eine erste Einspritzung einer genau dosierten Kraftstoffmenge vorgenommen, woraufhin die Zwischenkompression bei CAI-Abgasrückhalten mit positiver Kraftstoffumsetzung erfolgt (Restsauerstoff im Abgas). Eine weitere lastabhängige Einspritzung erfolgt nach der Zwischenkompression. Bei steigender Last verschiebt sich die erste Einspritzung in Richtung des Kurbelwinkels von 0° von negativen Werten (später Einspritzbeginn), wohingegen sich bei steigender Last die zweite Einspritzung in Richtung zum Kurbelwinkel 0° von positiven Werten her verschiebt (früher Einspritzbeginn).
Ein hohes Lambda ist für eine positive Kraftstoffumsetzung während der Zwischenkompression erforderlich ebenso wie eine genau dosierte erste Einspritzung. Das dargestellte Verfahren erlaubt einen positiven Ladungswechsel und eine hohe Zylindertemperatur für die zweite Einspritzung sowie eine hohe Verdichtungsendtemperatur für die darauffolgende Selbstzündung.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine Laststeuerung durch eine Restgassteuerung im Brennraum erzielt wird und wobei eine zylinderselektive Umschaltung von Ventilhüben von Einlass- und Auslassventilen vorgesehen wird, wobei mindestens ein erster Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Fremdzündung erfolgt, wobei mindestens ein zweiter Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Selbstzündung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein schaltbares Aufladekonzept vorgesehen wird, bei dem durch eine Kombination von einem kleinen und zwei großen Abgasturboladern eine Vergrößerung mindestens eines Kennfeldbereiches der Selbstzündung erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei je nach Kennfeldbereich die Ventilhübe sowohl beim Auslassventil als auch beim Einlassventil unterschiedlich eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Abhängigkeit von einem Lastbereich ein Turbinenzuschaltventil angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in mindestens einem Kennfeldbereich der Selbstzündung eine Piloteinspritzung vor einer Zwischenkompression von zurückgehaltenem Abgas erfolgt und wobei eine zweite Einspritzung lastabhängig nach der Zwischenkompression vorgenommen wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine Laststeuerung durch eine Restgassteuerung im Brennraum erzielt wird und wobei eine zylinderselektive Umschaltung von Ventilhüben von Einlass- und Auslassventilen vorgesehen wird, wobei mindestens ein erster Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Fremdzündung erfolgt, wobei mindestens ein zweiter Kennfeldbereich vorgesehen ist, in dem die Verbrennung mittels Selbstzündung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Kennfeldbereich der Selbstzündung eine Piloteinspritzung vor einer Zwischenkompression von zurückgehaltenem Abgas erfolgt und wobei eine zweite Einspritzung lastabhängig nach der Zwischenkompression vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei je nach Kennfeldbereich die Ventilhübe sowohl beim Auslassventil als auch beim Einlassventil unterschiedlich eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein schaltbares Aufladekonzept vorgesehen wird, bei dem durch eine Kombination von einem kleinen und zwei großen Abgasturboladern eine Vergrößerung mindestens eines Kennfeldbereiches der Selbstzündung erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in Abhängigkeit von einem Lastbereich ein Turbinenzuschaltventil angesteuert wird.
Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung, die zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.