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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Hubkolben-Verbrennungsmotoren, mit VCR-Stellern (VCR: Variable Compression Ratio), die eine variable Anpassung eines Verdichtungsverhältnisses von Brennräumen des Verbrennungsmotors ermöglichen. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller.
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Technischer Hintergrund
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Für Hubkolben-Verbrennungsmotoren besteht die Möglichkeit, durch verschiedene Maßnahmen ein Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen der Zylinder einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis gibt ein Verhältnis zwischen einem maximalen Volumen des Brennraums und einem minimalen Volumen des Brennraums während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors an. Das Verdichtungsverhältnis kann durch geeignete so genannte VCR-Steller variabel eingepasst werden.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2014/019684 eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit variabler Kompression und mit einer Betätigungseinheit zur Änderung eines Verdichtungsverhältnisses bekannt. Die Betätigungseinheit weist einen Pleuel mit einer variablen Länge auf, einen Kolben mit einer variablen Kompressionshöhe und/oder eine Kurbelwelle mit einem variablen Kurbelwellenradius auf.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 10 2008 050 827 A1 eine Verstellvorrichtung für eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bekannt. Die Kurbelwelle ist in Einstelllagern gelagert, die über eine Verstellwelle verstellbar sind, um die Position der Kurbelwelle zwischen einer Minimalverdichtungslage und einer Maximalverdichtungslage eines Kolbens in einem Zylinder zu ändern.
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Aus der Druckschrift
US 2014/0014071 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Einstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Exzenterlagereinrichtung zur Aufnahme der Kurbelwelle. Die Exzenterlagereinrichtung umfasst einen drehbaren Exzenterring, in dem die Kurbelwelle gelagert ist, wobei durch Drehen des Exzenterrings das Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Bestimmen eines Ethanolgehalts von einem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoff;
- – Einstellen des Verdichtungsverhältnisses abhängig von dem bestimmten Ethanolgehalt.
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Verbrennungsmotoren mit VCR-Stellern ermöglichen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch Optimierung des thermodynamischen Wirkungsgrades durch Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in den Brennräumen der Zylinder. Da der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors von dem Verdichtungsverhältnis abhängt, kann für den Betrieb von Verbrennungsmotoren ein geeignetes Verdichtungsverhältnis betriebspunktabhängig eingestellt werden. Insbesondere kann in Niedrig- und Teillastbetriebspunkten eine hohe thermodynamische Effizienz durch ein hohes Verdichtungsverhältnis erreicht werden, während in Betriebspunkten hoher Last das Verdichtungsverhältnis verringert wird, um eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
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Weiterhin sind Kraftfahrzeuge, die mit verschiedenen Kraftstoffarten betrieben werden können, so genannte Flex-Fuel-Fahrzeuge, üblicherweise mit einem Kraftstoffsensor der Kraftstoffart versehen. Für den Betrieb des Verbrennungsmotors ist im Wesentlichen der Ethanolgehalt des Kraftstoffs relevant, da dadurch das Klopfverhalten des Verbrennungsmotors maßgeblich bestimmt wird. Somit entspricht der Kraftstoffsensor einem Ethanolsensor, der den Ethanolgehalt im Kraftstoff misst. Die Angabe über den Ethanolgehalt wird entsprechend verwendet, um die Gemischbildung und die Zündung an den Ethanolgehalt des Kraftstoffs anzupassen.
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Insbesondere besteht bei hohem Ethanolgehalt eine hohe Klopffestigkeit, wodurch es möglich ist, ein hohes Verdichtungsverhältnis einzustellen, ohne dass ein Klopfen auftritt. Dagegen muss bei geringerem Ethanolgehalt ein geringeres Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, um ein Klopfen des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
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Um ein Klopfen sicher ausschließen zu können, wurde das Verdichtungsverhältnis bisher bei Flex-Fuel-Fahrzeugen so eingestellt, wie es dem Kraftstoff mit dem geringstmöglichen Ethanolgehalt entspricht. Gemäß dem obigen Verfahren kann nun vorgesehen sein, das Verdichtungsverhältnis so einzustellen, dass der Verbrennungsmotor auch bei wechselnden Kraftstoffarten näher an der Klopfgrenze betrieben werden kann. Dadurch kann der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht bzw. optimiert werden.
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Weiterhin kann das Verdichtungsverhältnis bei einer Verringerung des bestimmten Ethanolgehalts reduziert und/oder bei einer Erhöhung des bestimmten Ethanolgehalts erhöht werden.
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Insbesondere kann das Verdichtungsverhältnis bei der Erhöhung des bestimmten Ethanolgehalts erst nach einer vorbestimmten Wartezeitdauer erhöht werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Wartezeitdauer betriebspunktabhängig und insbesondere mithilfe einer Kraftstoffmassenbilanzierung abhängig von der Drehzahl und einer momentanen Einspritzmenge von Kraftstoff bestimmt wird, wobei insbesondere eine Sicherheitszeitdauer berücksichtigt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Verdichtungsverhältnis bei der Verringerung des bestimmten Ethanolgehalts sofort reduziert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verdichtungsverhältnis abhängig von dem bestimmten Ethanolgehalt gemäß einer vorgegebenen Verdichtungsverhältnis-Funktion eingestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder des Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um einen Ethanolgehalt von einem Verbrennungsmotor zugeführtem Kraftstoff zu bestimmen und das Verdichtungsverhältnis abhängig von dem bestimmten Ethanolgehalt einzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor mit einem VCR-Steller und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, der einen VCR-Steller zum Einstellen eines variablen Verdichtungsverhältnisses in den Brennräumen der Zylinder aufweist; und
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller abhängig von einem gemessenen oder modellierten Ethanolgehalt des zugeführten Kraftstoffs.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der in Form eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 2 kann beispielsweise in Form eines kraftstoffgeführten Verbrennungsmotors, wie z. B. eines Ottomotors ausgebildet sein.
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Der Verbrennungsmotor 2 weist Zylinder 3 auf, die Brennräume 31 aufweisen, in denen in an sich bekannter Weise ein Kolben 4 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 4 ist an seiner dem Brennraum 31 gegenüberliegenden Seite über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle 5 gekoppelt, so dass eine durch einen Verbrennungstakt im Verbrennungsmotor 2 bewirkte Hubbewegung des Kolbens 4 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 5 umgesetzt wird.
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Der Verbrennungsmotor 2 ist ansonsten wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor ausgebildet. Luftzuführungssystem und Abgasabführungssystem sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1 nicht dargestellt.
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Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle 5 und dem Kolben 4 in den Zylindern 3 kann mit einem VCR-Steller (VCR: Variable Compression Ratio) versehen sein, um ein Verdichtungsverhältnis in den Zylindern 3 variabel einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis entspricht einem Verhältnis eines maximalen Volumens des Brennraums der Zylinder 3, d. h. dem Volumen des Brennraums, wenn sich der Kolben 4 an einem unteren Totpunkt befindet, zu einem minimalen Volumen des Brennraums der Zylinder 3, d. h. einem Volumen des Brennraums, wenn sich der Kolben 4 an einem oberen Totpunkt befindet. Gemeinsam ist allen VCR-Stellern, dass sich die Position des Kolbens am oberen Totpunkt abhängig von dem einzustellenden Verdichtungsverhältnis ändert. Insbesondere liegt der obere Totpunkt umso näher am Brennraumdach je höher das eingestellte Verdichtungsverhältnis ist.
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Der Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Weise durch eine Steuereinheit 10 betrieben. Zusätzlich zu den Stellmöglichkeiten, die zum Betreiben eines herkömmlichen Verbrennungsmotors vorgesehen sind, kann die Steuereinheit auch den VCR-Steller 6 stellen.
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Ein Vorteil der Einstellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses ergibt sich aus der Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades ηTH eines Verbrennungsmotors vom Verdichtungsverhältnis, wie folgt: ηTH = 1 –( 1 / ε)κ-1
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Dabei beschreibt das Verdichtungsverhältnis, das bei Ottomotoren üblicherweise zwischen 8 und 14 liegt, und κ den Isentropenexponenten des Gemisches, der für eine homogene Verbrennung mit etwa 1,3 angenommen werden kann. Damit wird über den gesamten Versteilbereich des Verdichtungsverhältnisses bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von einem minimalen Wert zu einem maximalen Wert der thermische Wirkungsgrad ηTH um ca. 10% erhöht. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden.
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Im Betrieb wird das Verdichtungsverhältnis im Wesentlichen so eingestellt, dass es größtmöglich ist, jedoch ein Klopfen des Verbrennungsmotors 2 vermieden wird. Dies bedeutet, dass in Niedriglastbetriebspunkten und Teillastbetriebspunkten ein hohes bzw. ein maximales Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, während in Hochlastbetriebspunkten das Verdichtungsverhältnis entsprechend verringert wird, damit in dem Verbrennungsmotor kein Klopfen auftritt.
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Kraftstoff wird den Zylindern 3 aus einem Kraftstofftank 7 durch eine Kraftstoffleitung 8 zugeführt. Der Kraftstoff wird entweder außerhalb der Zylinder 3 in einen Saugrohrabschnitt in dem Luftzuführungssystem eingespritzt, so dass ein Kraftstoffluftgemisch durch die Einlassventile in die Zylinder 3 eingesaugt wird, oder der Kraftstoff wird direkt in die Brennräume der Zylinder 3 über daran vorgesehene Einspritzventile in an sich bekannter Weise eingespritzt.
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In der Kraftstoffleitung 8 oder im Kraftstofftank 7 ist ein Ethanolsensor 9 (Kraftstoffsensor) angeordnet, der mit dem Steuergerät 10 verbunden ist, um eine Angabe über den Ethanolgehalt des dem Verbrennungsmotor 2 zugeführten Kraftstoffs zu signalisieren. Alternativ kann der Ethanolgehalt auch aus einem vorgegebenen geeigneten Ethanolgehaltsmodell bestimmt werden.
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In 2 ist ein Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2 dargestellt, bei dem ein Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen der Zylinder 3 abhängig von dem Ethanolgehalt eingestellt wird. Dem Verfahren liegt zugrunde, dass die Klopffestigkeit des Kraftstoffs mit Zunahme des Ethanolgehalts steigt und somit Kraftstoffe mit höherem Ethanolgehalt mit einem höheren Verdichtungsverhältnis betrieben werden können als Kraftstoffe mit einem niedrigeren Ethanolgehalt.
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In Schritt S1 wird ein aktueller Ethanolgehalt gemessen oder in geeigneter Weise modelliert und daraus eine Ethanolgehalt-Änderungsgröße bestimmt. Die Ethanolgehalt-Änderungsgröße gibt eine Änderung des Ethanolgehalts in dem zugeführten Kraftstoff anstelle des Ethanolsensors 9 an.
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Die Ethanolgehalt-Änderungsgröße kann durch Differenzbildung des aktuellen Ethanolgehalts mit einem Ethanolgehalt, der zuvor z. B. in einem vorangegangenen Messzyklus erfasst worden ist, ermittelt werden. Insbesondere ist die Ethanolgehalt-Änderungsgröße eine festgelegte zeitliche Bezugsgröße, die in Bezug auf eine Rechenzykluszeit bestimmt wird.
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In Schritt S2 wird überprüft, ob ein Anstieg des Ethanolgehalts festgestellt werden kann. Insbesondere kann das Überprüfen der Ethanolgehaltsänderung basierend auf einem vorgegebenen Anstiegsschwellenwert durchgeführt werden, der einen positiven Mindestwert angibt, um den sich der Ethanolgehalt ändern muss, um auf einen relevanten Anstieg (Erhöhung) des Ethanolgehalts zu schließen. Wird ein relevanter Anstieg des Ethanolgehalts festgestellt (Alternative: ja), so wird das Verfahren mit Schritt S3 fortgesetzt, anderenfalls wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt.
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In Schritt S3 wird zunächst eine bestimmte Wartezeitdauer abgewartet, die ausreicht, um bei der momentanen Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 die zwischen Kraftstoffsensor 9 und Einspritzventil befindliche Kraftstoffmenge einzuspritzen. Die Wartezeitdauer kann fest vorgegeben oder betriebspunktabhängig sein und insbesondere mithilfe einer Kraftstoffmassenbilanzierung abhängig von der Drehzahl und Einspritzmenge einschließlich einer etwaigen Sicherheitszeitdauer bestimmt werden.
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Anschließend wird in Schritt S5 das Verdichtungsverhältnis an den aktuellen Ethanolgehalt angepasst. Das zum gemessenen aktuellen Ethanolgehalt des Kraftstoff passende Verdichtungsverhältnis kann dabei aus einem applizierten Verdichtungsverhältnis-Kennfeld, in das weitere Einflussgrößen, wie zum Beispiel die Gemischtemperatur und dergleichen, eingehen können, entnommen werden. Danach wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S4 wird überprüft, ob eine Ethanolgehaltsänderung vorliegt, die einen sinkenden Ethanolgehalt signalisiert. Dies kann beispielsweise durch Vergleich der Ethanolgehaltsänderung mit einem Abfallschwellenwert erfolgen, der null oder negativ sein kann. Sobald ein relevantes Sinken des Ethanolgehalts festgestellt wird (Alternative: ja), wird das Verfahren mit Schritt S5 ohne Abwarten der Wartezeitdauer fortgesetzt und das Verdichtungsverhältnis entsprechend dem Verdichtungsverhältnis-Kennfeld an den momentanen Ethanolgehalt angepasst.
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Auf das Verzögern um die vorbestimmte Zeitdauer wird bei einem Abfall des Ethanolgehalts verzichtet, um eventuelle Motorschäden durch Klopfen durch früh in den Brennraum gelangenden Kraftstoff mit verringertem Ethanolgehalt zu vermeiden. Anderenfalls (Alternative: Nein) wird direkt zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/019684 [0003]
- DE 102008050827 A1 [0004]
- US 2014/0014071 [0005]
