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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors und einen Verbrennungsmotor entsprechend dem Anspruch 1 bzw. 2 bzw. 10.
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Aus der
DE 10 2009 051 137 A1 ist ein Brennverfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem ein typischerweise stark mit Abgas und/oder Luft verdünntes, homogenes Grundgemisch durch zusätzliches Einspritzen eines Pilotkraftstoffs zu einem Einspritzzeitpunkt entzündet wird, wobei der Einspritzzeitpunkt des Pilotkraftstoffs so gewählt wird, dass keine vollständige Homogenisierung, d. h. nur eine Teilhomogenisierung, des Pilotkraftstoffs mit dem Grundgemisch stattfindet. Ein derartiges Verfahren wird in Fachkreisen als RCAI-Verfahren – Reactivity Controlled Auto Ignition – bezeichnet. Ähnliche Verfahren werden in der Fachliteratur häufig als RCCI-Verfahren – Reactivity Controlled Compression Ignition – bezeichnet. Grundsätzlich besteht die Einschränkung, dass beim Motorstart, in der Warmlaufphase und bei niedriger Last kein derartiger Betrieb möglich ist und der Verbrennungsmotor in diesen Phasen als Dieselmotor betrieben werden muss. Der Betrieb des Verbrennungsmotors als Dieselmotor bringt es mit sich, dass auf Grund des für das RCAI-Verfahren bzw. das RCCI-Verfahren notwenigen niedrigen Verdichtungsverhältnisses im erwähnten Dieselbetrieb eine sehr starke Ladeluftvorwärmung und Kühlwasservorwärmung erforderlich ist, um ausreichend Energie in den Brennraum zu bekommen und hierdurch eine Dieselzündung bzw. Selbstzündung zu ermöglichen. Trotz der starken Ladeluftvorwärmung und Kühlwasservorwärmung ist dieser Dieselbetrieb mit sehr hohen HC- und CO-Emissionen verbunden, insbesondere da die Verbrennung unvollständig erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren vorzuschlagen, welches es erlaubt einen Verbrennungsmotor in dem RCAI-Verfahren bzw. RCCI-Verfahren zu betreiben und beim Motorstart, in der Warmlaufphase und bei niedriger Last technischen Aufwand für eine sehr starke Ladeluftvorwärmung und Kühlwasservorwärmung zu vermeiden und niedrige Abgaswerte zu erzielen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, welcher in dem RCAI-Verfahren bzw. RCCI-Verfahren betrieben werden kann und bei welchem technischen Aufwand für eine sehr starke Ladeluftvorwärmung und Kühlwasservorwärmung für den Motorstart, für die Warmlaufphase und für einen Betrieb bei niedriger Last vermieden wird und durch welchen niedrige Abgaswerte erzielbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 2 bzw. 10 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bei niedriger Last in einem ersten Betriebsmodus und bei über der niedrigen Last liegender höherer Last in einem zweiten Betriebsmodus sieht vor, dass der Verbrennungsmotor in dem ersten Betriebsmodus derart betrieben wird, dass in einem Brennraum des Verbrennungsmotors ein erstes homogenes Gemisch aus Ottokraftstoff und Luft bei grundsätzlich abgeschaltetem Dieselinjektor oder bei außerhalb eines Umschaltbetriebs abgeschaltetem Dieselinjektor gebildet wird und durch eine Fremdzündeinrichtung oder durch die Fremdzündeinrichtung und Kompressionszündung gezündet wird und dass der Verbrennungsmotor in dem zweiten Betriebsmodus derart betrieben wird, dass die Fremdzündeinrichtung grundsätzlich abgeschaltet wird oder außerhalb des Umschaltbetriebs abgeschaltet wird, der Dieselinjektor eingeschaltet wird und in dem Brennraum ein zweites homogenen Gemisch aus Ottokraftstoff und Luft gebildet wird und diesem Dieselkraftstoff derart beigemischt wird, dass ein teilhomogenes Gemisch hergestellt wird und der Dieselkraftstoff beim Verdichten durch Kompressionszündung oder durch Kompressionszündung und die Fremdzündeinrichtung entzündet wird und das zweite homogene Gemisch hierdurch entflammt wird.
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Kern der Erfindung ist ein Verfahren, bei welchem abhängig von einer Temperatur des Verbrennungsmotors und abhängig von einer Last des Verbrennungsmotors alternativ zu einem RCAI-Betrieb bzw. den RCCI-Betrieb des Verbrennungsmotors ein Ottobetrieb eines für den RCAI-Betrieb bzw. den RCCI-Betrieb ausgelegten Verbrennungsmotors erfolgt, wobei der Ottobetrieb wenigstens teilweise unter Vermeidung einer Zufuhr von Dieselkraftstoff ausgeführt wird. Hierdurch kann ein reiner Dieselbetrieb vermieden werden, so dass hohe HC- und CO-Emissionen vermieden werden und auch der technische Aufwand für eine sehr starke Ladeluftvorwärmung und Kühlwasservorwärmung nicht betrieben werden muss, sondern als zusätzliche Komponente des Verbrennungsmotors im Wesentlichen eine Fremdzündeinrichtung ausreichend ist.
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Das weitere erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bei niedriger Last in einem ersten Betriebsmodus und bei über der niedrigen Last liegender höherer Last in einem zweiten Betriebsmodus sieht vor, dass der Verbrennungsmotor in dem ersten Betriebsmodus derart betrieben wird, dass in einem Brennraum des Verbrennungsmotors ein erstes homogenes Gemisch aus Ottokraftstoff und Luft bei außerhalb eines Umschaltbetriebs abgeschaltetem Dieselinjektor und bei im Umschaltbetrieb aktivem Dieselinjektor gebildet wird und außerhalb des Umschaltbetriebs durch eine Fremdzündeinrichtung und im Umschaltbetrieb durch die Fremdzündeinrichtung und Kompressionszündung gezündet wird und dass der Verbrennungsmotor in dem zweiten Betriebsmodus derart betrieben wird, dass die Fremdzündeinrichtung außerhalb des Umschaltbetriebs abgeschaltet wird, der Dieselinjektor eingeschaltet wird und in dem Brennraum ein zweites homogenen Gemisch aus Ottokraftstoff und Luft gebildet wird und diesem Dieselkraftstoff derart beigemischt wird, dass ein teilhomogenes Gemisch hergestellt wird und der Dieselkraftstoff beim Verdichten außerhalb des Umschaltbetriebs durch Kompressionszündung und im Umschaltbetrieb durch Kompressionszündung und die Fremdzündeinrichtung entzündet wird und das zweite homogene Gemisch hierdurch entflammt wird.
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Kern des weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, in einem Umschaltbetrieb alternativ zu einem ausschließlichen Betrieb mit Fremdzündung und einem ausschließlichen Betrieb mit Kompressionszündung auch einen Betrieb mit Fremdzündung und Kompressionszündung vorgesehen. Hierdurch wird in dem Umschaltbetrieb, welcher auch als dritter Betriebsmodus bezeichnet wird und welcher von dem ersten Betriebsmodus aus in den zweiten Betriebsmodus hineinreicht und welcher von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus hineinreicht, in einem Überschneidungsbereich des dritten Betriebsmodus mit dem zweiten Betriebsmodus eine besonders zuverlässige Zündung erreicht und in einem Überschneidungsbereich des zweiten Betriebsmodus mit dem ersten Betriebsmodus eine besonders zuverlässige Verbrennung erreicht.
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Weiterhin ist es vorgesehen, den Verbrennungsmotor in dem ersten Betriebsmodus mit maximal 35% und insbesondere maximal 20% seiner Leistung zu betreiben und den Verbrennungsmotor in dem zweiten Betriebsmodus mit über 35% und insbesondere über 20% seiner Leistung zu betreiben. Hierdurch können die jeweiligen Vorteile der beiden Betriebsverfahren hinsichtlich Schadstoffausstoß und Kraftstoffverbrauch optimal ausgenutzt werden.
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Es ist vorgesehen, die Fremdzündeinrichtung mit einer Zündkerze auszustatten, durch welche in dem ersten Betriebsmoduls das erste homogene Gemisch gezündet wird. Hierdurch lässt sich die Fremdzündeinrichtung mit bewährten Motorkomponenten realisieren.
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Durch eine Zufuhr des Ottokraftstoffs in den Brennraum über eine Saugrohreinspritzung oder über eine Direkteinspritzung ist es möglich, die Ottokraftstoffzufuhr mit in der Praxis bewährten Motorkomponenten zu realisieren.
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Weiterhin sieht das Verfahren vor, in dem ersten Betriebsmodus das Lambda für einen Magerbetrieb auf größer 1 einzustellen oder das Lambda für einen Otto-Betrieb auf etwa gleich 1 einzustellen. Hierdurch kann der Verbrennungsmotor in dem ersten Betriebsmodus für den jeweiligen Einsatzzweck optimal abgestimmt werden.
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Es ist auch vorgesehen, von dem ersten Betriebsmodus auf den zweiten Betriebsmodus frühestens dann zu wechseln, wenn die Bedingungen für einen störungsfreien Betrieb im zweiten Betriebsmodus derart erfüllt sind, dass in dem Brennraum ausreichend Energie für eine Dieselzündung vorhanden ist und spätestens dann zu wechseln, wenn durch den zweiten Betriebsmodus hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Abgaszusammensetzung bessere Ergebnisse als im ersten Betriebsmodus erbracht werden. Durch ein derartiges Verfahren entsteht situationsabhängig ein Korridor, in welchem der Verbrennungsmotor in beiden Betriebsmodi betrieben werden kann. Mit Hilfe eines selbstlernenden Motormanagements kann so in bestimmten Betriebssituationen ein ständiger Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus vermieden werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, den Verbrennungsmotor in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn der Verbrennungsmotor bei Niedriglast oder im Leerlauf betrieben wird und/oder in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird und/oder in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn der Verbrennungsmotor in einer Warmlaufphase betrieben wird und/oder in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn von dem Verbrennungsmotor eine hochdynamische Lastanforderung erfüllt wird und/oder in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn der Verbrennungsmotor in einem Notbetrieb betrieben wird. Durch derartige Entscheidungen für den ersten Betriebsmodus wird ein zuverlässiger Betrieb des Verbrennungsmotors gewährleistet.
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Schließlich ist es vorgesehen, den Verbrennungsmotor in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus mit einem Verdichtungsverhältnis kleiner 12 und insbesondere etwa 10 zu betrieben. Ein derartig niedriges Verdichtungsverhältnis ermöglicht eine Steigerung der Stabilität des zweiten Betriebsmodus und ist für den ersten Betriebsmodus völlig unproblematisch.
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Ein Verbrennungsmotor, welcher nach dem Verfahren des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 betrieben wird weist die oben erwähnten Vorteile auf.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor, der wenigstens einen Brennraum mit einer Zufuhreinrichtung für Luft, eine Zufuhreinrichtung für Ottokraftstoff und eine Zufuhreinrichtung für Dieselkraftstoff umfasst, bei einer über einer Mindestlast liegenden höheren Last im Dieselbetrieb arbeitet und auf ein Verdichtungsverhältnis <= 12 ausgelegt ist, umfasst eine bei der über der Mindestlast liegenden höheren Last abschaltbare Fremdzündeinrichtung, welche für jeden Brennraum wenigstens eine Zündkerze umfasst. Mit einem derartigen Motor ist das erfindungsmäße Betriebsverfahren realisierbar und der Verbrennungsmotor weist somit dessen Vorteile auf.
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Unter einem teilhomogenen Gemisch wird im Sinne der Erfindung eine homogenes Gemisch aus Ottokraftstoff und Luft verstanden, welchem Dieselkraftstoff beigemischt ist, wobei der Dieselkraftstoff in dem homogenen Gemisch aus Ottokraftstoff und Luft inhomogen verteilt ist.
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Unter einem Betriebsmodus wird im Sinne der Erfindung ein Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors verstanden, in welchem der Verbrennungsmotor nach derselben Betriebsart betrieben wird.
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Unter einem Ottokraftstoff wird im Sinne der Erfindung jeder Kraftstoff verstanden, welcher zum Betrieb eines Ottomotoren bzw. eines sogenannten Fremdzünders geeignet ist. Unter einem Ottokraftstoff werden im Sinne der Erfindung neben Benzin insbesondere auch Iso-Oktan, Ethanol, Methanol, LNG, LPG oder CNG verstanden.
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Unter einem Dieselkraftstoff wird im Sinne der Erfindung jeder Kraftstoff verstanden, welcher zum Betrieb eines Dieselmotors bzw. eines sogenannten Selbstzünders geeignet ist. Unter einem Dieselkraftstoff werden im Sinne der Erfindung neben Diesel insbesondere auch n-Heptan, Kerosin oder Naphta verstanden.
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Unter Luft wird im Sinne der Erfindung entweder reine Umgebungsluft oder mit rückgeführtem Abgas gemischte Umgebungsluft verstanden.
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Unter einem Umschaltbetrieb wird im Sinne der Erfindung ein dritter Betriebsmodus verstanden, welcher von einer Grenze aus, an welcher der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus ineinander übergehen, in den ersten Betriebsmodus und in den zweiten Betriebsmodus hineinreicht und diese von der Grenze aus jeweils teilweise überdeckt. Der Verbrennungsmotor befindet sich immer dann in dem Umschaltbetrieb, wenn dieser mit einer Leistung betrieben wird, welche im Bereich einer im ersten Betriebsmodus vorgesehenen maximalen Leistung liegt. Insbesondere erstreckt sich der Umschaltbetrieb bzw. der dritte Betriebsmodus etwa von 50% der maximalen Leistung im ersten Betriebsmodus bis 150% der maximalen Leistung im ersten Betriebsmodus.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1a bis 1c: schematische Darstellungen der Takte Ansaugen, Verdichten und Verbrennen in einem ersten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2a bis 2c: schematische Darstellungen der Takte Ansaugen, Verdichten und Verbrennen in einem zweiten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1a zeigt an einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden und ausschnittsweise und schematisch dargestellten Verbrennungsmotor 1 einen Arbeitstakt Ansaugen AT1 in einem ersten Betriebsmodus I des Verbrennungsmotors 1. In diesem Arbeitstakt AT1 wird bei einem durch einen sich nach unten bewegenden Kolben 2 zunehmenden Volumen V3 eines Brennraums 3 aus einem in den Brennraum 3 führenden Saugrohr 4 Luft 5 und von einem Ottokraftstoffinjektor 6 eindosierter Ottokraftstoff 7 in den Brennraum 3 gesaugt.
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1b zeigt an dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden und ausschnittsweise und schematisch dargestellten Verbrennungsmotor 1 einen Arbeitstakt Verdichten AT2 in dem ersten Betriebsmodus I des Verbrennungsmotors 1. In diesem Arbeitstakt AT2 wird bei dem durch den sich nach oben bewegenden Kolben 2 abnehmendem Volumen V3 des Brennraums 3 ein erstes homogenes Gemisch 8 aus dem in dem Brennraum 3 befindlichen Ottokraftstoff 7 und der in den Brennraum 3 befindlichen Luft 5 komprimiert.
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1c zeigt an dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden und ausschnittsweise und schematisch dargestellten Verbrennungsmotor 1 einen Arbeitstakt Verbrennen AT3 in dem ersten Betriebsmodus I des Verbrennungsmotors 1. In diesem Arbeitstakt AT3 wird das weiter komprimierte erste homogene Gemisch 8 durch einen von einer Zündkerze 9 einer Fremdzündeinrichtung 10 erzeugten Zündfunken 11 entzündet. Ein dem Brennraum 3 zugeordneter Dieselinjektor 12 ist in dem ersten Betriebsmodus I ausgeschaltet und es wird hierdurch in jedem Arbeitstakt eine Zuführung von Dieselkraftstoff vermieden. Ein vierter Arbeitstakt Ausschieben ist bildlich nicht dargestellt. Auf den vierten Arbeitstakt Ausschieben folgt wieder der in der 1a gezeigte Arbeitstakt Ansaugen AT1.
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2a zeigt an dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden und ausschnittsweise und schematisch dargestellten Verbrennungsmotor 1 einen Arbeitstakt Ansaugen AT1' in einem zweiten Betriebsmodus II des Verbrennungsmotors 1. In diesem Arbeitstakt AT1' wird bei dem durch den sich nach unten bewegenden Kolben 2 zunehmenden Volumen V3 des Brennraums 3 aus dem in den Brennraum 3 führenden Saugrohr 4 Luft 5 und von dem Ottokraftstoffinjektor 6 eindosierter Ottokraftstoff 7 in den Brennraum 3 gesaugt.
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2b zeigt an dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden und ausschnittsweise und schematisch dargestellten Verbrennungsmotor 1 einen Arbeitstakt Verdichten AT2' in dem zweiten Betriebsmodus II des Verbrennungsmotors 1. In diesem Arbeitstakt AT2' wird bei dem durch den sich nach oben bewegenden Kolben 2 abnehmendem Volumen V3 des Brennraums 3 ein zweites homogenes Gemisch 8' aus in dem Brennraum 3 befindlichem Ottokraftstoff 7 und der in den Brennraum 3 befindlichen Luft 5 komprimiert und diesem durch den Dieselinjektor 12 Dieselkraftstoff 13 zugemischt, so dass ein teilhomogenes Gemisch 14 entsteht.
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2c zeigt an dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden und ausschnittsweise und schematisch dargestellten Verbrennungsmotor 1 einen Arbeitstakt Verbrennen AT3' in dem zweiten Betriebsmodus II des Verbrennungsmotors 1. In diesem Arbeitstakt AT3' wird der Dieselkraftstoff 13 durch weitere Kompression gezündet, wobei dieser dann das zweite homogene Gemisch 8' entzündet. Die dem Brennraum 3 zugeordneter Zündkerze 9 der Fremdzündeinrichtung 10 ist in dem zweiten Betriebsmodus II ausgeschaltet. Ein vierter Arbeitstakt Ausschieben ist bildlich nicht dargestellt. Auf den vierten Arbeitstakt Ausschieben folgt wieder der in der 2a gezeigte erste Arbeitstakt Ansaugen AT1'.
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Für die 1a bis 2c gilt, dass durch das Saugohr 4 eine Zufuhreinrichtung 104 für Luft 5 gebildet ist, dass durch den Ottokraftstoffinjektor 6 eine Zufuhreinrichtung 106 für Ottokraftstoff 7 gebildet ist und dass durch den Dieselinjektor 12 eine Zufuhreinrichtung 112 für Dieselkraftstoff 13 gebildet ist. Weiterhin gilt für diese Figuren, dass Luft 5 durch einen Kreisring symbolisiert ist, dass Ottokraftstoff 7 durch einen Kreisring mit zwei schrägen Strichen symbolisiert ist und dass Dieselkraftstoff 13 durch einen Kreisring mit einem Kreuz symbolisiert ist.
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Die 1a bis 2c beschreiben grundsätzlich auch das mit dem Anspruch 2 beanspruchte Verfahren. Hierbei ist in dem in den 1a bis 1c beschriebenen ersten Betriebsmodus I, abhängig davon, ob sich der Verbrennungsmotor 1 in einem Umschaltbetrieb befindet, im Umschaltbetrieb auch der Dieselinjektor 12 aktiv und somit erfolgt zusätzlich zu der Funkenzündung auch eine Kompressionszündung. Hierbei ist in dem in den 2a bis 2c beschriebenen zweiten Betriebsmodus II abhängig davon, ob sich der Verbrennungsmotor 1 in einem Umschaltbetrieb befindet, im Umschaltbetrieb auch die Zündkerze 9 als Fremdzündeinrichtung 10 aktiv, so dass zusätzlich zur Kompressionszündung eine Funkenzündung erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009051137 A1 [0002]
