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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2013 221 308 A1 als bekannt zu entnehmen. Dabei weist die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf, wobei die Verbrennungskraftmaschine im Rahmen des Verfahrens mittels eines strahlgeführten Brennverfahrens betrieben wird.
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Des Weiteren offenbart die
DE 101 44 683 A1 eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, direkter Einspritzung eines Kraftstoffs mit einer Einspritzdüse mittels eines Einspritzstrahls in einen Brennraum, wenigstens einem eine Luftströmung in den Brennraum leitenden Einlasskanal mit Einlassventil, und mit wenigstens einem Auslasskanal mit Auslassventil, wobei Auslassventil und Einlassventil an gegenüberliegenden Seiten des Brennraumes angeordnet sind und die Einspritzdüse einlassventilseitig angeordnet ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mittels des strahlgeführten Brennverfahrens mit Schichtladung betrieben wird, während eine zwischen einem ersten Zustand zum Bewirken einer ersten Ladungsbewegung einer in den Zylinder einströmenden Ladung und einem zweiten Zustand zum Bewirken einer gegenüber der ersten Ladungsbewegung stärkeren zweiten Ladungsbewegung der in den Zylinder einströmenden Ladung verstellbare Ladungsbewegungseinrichtung in den zweiten Zustand eingestellt ist. Die Ladung strömt beispielsweise zumindest im Wesentlichen tumbleförmig, das heißt mit einem Tumble und somit walzenförmig in den als Zylinder ausgebildeten Brennraum ein, wobei die tumble- beziehungsweise walzenförmige Strömung der Ladung beispielsweise in dem zweiten Zustand der Ladungsbewegungseinrichtung größer beziehungsweise stärker oder stärker ausgeprägt ist als in dem ersten Zustand. Die Ladungsbewegungseinrichtung ermöglicht somit eine bedarfsgerechte Einstellung der Strömung beziehungsweise der Ausprägung der tumbleförmigen Strömung der Ladung, sodass die Strömung, mit der die Ladung in den Zylinder einströmt, bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebsbereiche der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, die gegenüber der ersten Ladungsbewegung stärkere beziehungsweise größere Ladungsbewegung mit dem strahlgeführten Brennverfahren mit Schichtladung zu kombinieren, wodurch ein besonders emissionsarmer Betrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist. Ferner ist beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Regelung oder Steuerung der beispielsweise als Tumbleverstellsystem ausgebildeten Ladungsbewegungseinrichtung im zumindest nahezu gesamten Kennfeld der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine möglich, sodass ein emissions- und kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb darstellbar ist. Insbesondere können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl Partikel- als auch die Stickoxidemissionen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren gesenkt werden.
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Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Zur Optimierung des Kraftstoffverbrauches bietet sich bei beispielsweise als Ottomotoren ausgebildeten Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen die Kombination unterschiedlicher Brennverfahren an. Für den unteren Teillastbereich ist beispielsweise ein Schichtladeverfahren, das heißt die Schichtladung vorteilhaft. Bei demgegenüber höheren Lasten sind Brennverfahren mit homogener Zylinderladung und dabei mit magerem oder stöchiometrischem Gemisch oder eine Kombination aus homogenem Brennverfahren und Schichtbrennverfahren, das heißt ein so genanntes Homogen-Schichtverfahren (HOS) vorteilhaft. Üblicherweise strömt die Ladung über wenigstens einen Einlasskanal in den Zylinder ein. Während für die maximale Leistung der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ein Einlasskanal angestrebt wird, welcher eine möglichst große Füllung des Zylinders erlaubt, wirkt sich ein solcher Einlasskanal negativ auf die Ladungsbewegung auf.
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Mittels der Ladungsbewegungseinrichtung kann beispielsweise die Strömung, insbesondere die Tumbleströmung, der in den Zylinder einströmenden Ladung variiert werden. Insbesondere ist es denkbar, dass der Einlasskanal durch ein beispielsweise als ein Blech ausgebildetes Teilungselement, welches in einen Zylinderkopf und somit beispielsweise in den Einlasskanal eingelegt oder eingegossen ist, in einen oberen Teilkanal, insbesondere in eine obere Hälfte, und in einen unteren Teilkanal, insbesondere in eine untere Hälfte, unterteilt wird. Im unteren Teilkanal ist beispielsweise ein als Klappe ausgebildetes Ventil ausgebildet, welches zwischen einer den unteren Teilkanal verschließenden Schließstellung und wenigstens einer den unteren Teilkanal freigebenden Offenstellung, insbesondere betriebspunktabhängig, verstellbar ist. Somit ist es möglich, den unteren Teilkanal betriebspunktabhängig mittels der Klappe zu verschließen. Dieses Verschließen des unteren Teilkanals bewirkt die gegenüber der ersten Ladungsbewegung stärkere zweite Ladungsbewegung und somit eine gegenüber dem ersten Zustand stärkere beziehungsweise intensivere Tumbleströmung in dem Zylinder.
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Beispielsweise wird in einem Schichtladebetrieb, in welchem die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit Schichtladung betrieben wird, die auch als Ladungsbewegungsklappe bezeichnete Klappe beziehungsweise der untere Teilkanal geschlossen, um eine starke Ladungsbewegung, insbesondere eine starke Tumbleströmung, zu erzeugen. Demgegenüber wird die Ladungsbewegungsklappe bei einem homogenen Betrieb, insbesondere bei höheren Drehzahlen, üblicherweise geöffnet. Bislang wurde davon ausgegangen, dass sich eine hohe beziehungsweise starke Ladungsbewegung negativ auf strahlgeführte Brennverfahren auswirkt. Es wurde jedoch gefunden, dass durch die Kombination aus strahlgeführtem Brennverfahren und hoher Ladungsbewegung ein besonders emissionsarmer Betrieb dargestellt werden kann.
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Somit ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Ladungsbewegung variabel zu gestalten, was beispielsweise durch die zuvor beschriebene Unterteilung des Einlasskanals in einen oberen und unteren Teilkanal in Kombination mit einer Ladungsbewegungsklappe oder aber auf demgegenüber unterschiedliche Weise erfolgen kann. Dabei wird die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren mittels eines strahlgeführten Brennverfahrens betrieben. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn während des strahlgeführten Brennverfahrens mittels eines bezogen auf den Zylinder zentral in einem Zylinderkopf der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine angeordneten Injektors Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine direkt in den Zylinder eingespritzt wird. Ferner ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, bei beziehungsweise im Bereich der Schichtladung eine hohe Tumbleströmung anzustreben und dadurch die Emissionen besonders gering halten zu können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ein Diagramm mit einem Kennfeld einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird;
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2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine; und
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3 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Perspektivansicht der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, welche auch einfach als Verbrennungskraftmaschine bezeichnet wird, antreibbar. In das in 1 gezeigte Diagramm ist das Kennfeld 10 der Verbrennungskraftmaschine eingetragen, wobei auf der Abszisse 12 des Diagramms die Drehzahl und auf der Ordinate 14 des Diagramms die Last der Verbrennungskraftmaschine aufgetragen ist. Ferner ist in das in 1 gezeigte Diagramm die Volllastkurve 16 der Verbrennungskraftmaschine eingetragen.
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Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens einen als Zylinder ausgebildeten Brennraum, dem bei einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Luft und Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Bei dem Verfahren wird die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mittels eines strahlgeführten Brennverfahrens betrieben. Derartige strahlgeführte Brennverfahren sind hinlänglich bekannt.
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2 zeigt die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht, wobei die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in 3 ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Schnittansicht gezeigt ist. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst dabei ein den Zylinder bildendes Zylindergehäuse und wenigstens einen in 2 und 3 ausschnittsweise erkennbaren Zylinderkopf 18, welcher beispielsweise mit dem Zylindergehäuse verbunden ist und ein Brennraumdach 20 des Zylinders bildet. In dem Zylinder ist beispielsweise ein in 2 ausschnittsweise erkennbarer Kolben 22 translatorisch bewegbar aufgenommen. Dem Zylinder ist wenigstens ein aus 3 teilweise erkennbarer Einlasskanal 24 zugeordnet, über welchen die zuvor genannte Luft in den Zylinder eingeleitet wird.
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Der Zylinderkopf 18 weist eine Aufnahme 26 für einen aus 2 teilweise erkennbaren Injektor 28 auf, mittels welchem der zuvor genannte Kraftstoff direkt in den Zylinder einspritzbar ist beziehungsweise eingespritzt wird. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Ottomotor ausgebildet. Durch das Einbringen der Luft und des Kraftstoffes in den Zylinder entsteht in dem Zylinder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches gezündet und dadurch verbrannt wird. Bei dem in den Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Fremdzündung und somit mittels einer Fremdzündeinrichtung 30 gezündet, welche auch als Zündkerze bezeichnet wird. Dabei weist der Zylinderkopf 18 eine weitere Aufnahme 27 auf, in welcher die Fremdzündeinrichtung 30 zumindest teilweise aufgenommen ist.
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Aus 3 ist teilweise eine Ladungsbewegungseinrichtung 32 der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine erkennbar, wobei die Ladungsbewegungseinrichtung 32 auch als Tumbleverstellsystem bezeichnet wird. Die Ladungsbewegungseinrichtung 32 ist zwischen wenigstens einem ersten Zustand und wenigstens einem zweiten Zustand verstellbar. In dem ersten Zustand strömt eine zumindest die Luft umfassende Ladung mit einer ersten Ladungsbewegung in den Zylinder ein. Die Ladungsbewegung wird dabei mittels der Ladungsbewegungseinrichtung 32 bewirkt beziehungsweise eingestellt. In dem zweiten Zustand jedoch wird mittels der Ladungsbewegungseinrichtung 32 eine gegenüber der ersten Ladungsbewegung stärkere beziehungsweise größere zweite Ladungsbewegung der in den Zylinder einströmenden Ladung bewirkt.
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Um nun einen besonders emissionsarmen Betrieb realisieren zu können, ist es im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, dass die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mittels des strahlgeführten Brennverfahrens mit Schichtladung betrieben wird, während die Ladungsbewegungseinrichtung 32 in den zweiten Zustand eingestellt ist.
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Um die Ladungsbewegungseinrichtung 32 zwischen den Zuständen verstellen zu können, umfasst die Ladungsbewegungseinrichtung 32 wenigstens ein Verstellelement 34, welches beispielsweise relativ zu dem Zylinderkopf 18 zwischen wenigstens zwei Stellungen bewegbar, insbesondere drehbar beziehungsweise verschwenkbar, ist. Das Verstellelement 34 ist beispielsweise als Klappe, insbesondere als Ladungsbewegungsklappe, oder aber als so genannte Tumblewalze ausgebildet, welche bei dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel an einem Boden 36 des Einlasskanals 24 angeordnet ist. Zum Einstellen des ersten Zustands der Ladungsbewegungseinrichtung 32 wird das Verstellelement 34 beispielsweise in die erste Stellung bewegt. Zum Einstellen des zweiten Zustands wird das Verstellelement 34 beispielsweise in die zweite Stellung bewegt. Ferner ist der Injektor 28 bezogen auf den Zylinder zentral in dem Zylinderkopf 18 angeordnet, wodurch sich ein besonders effizientes und effektives Brennverfahren realisieren lässt.
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Der Einlasskanal 24 kann als Füllungskanal ausgelegt werden, welcher üblicherweise den Nachteil einer nur geringen Ladungsbewegung in der Teillast aufweist. Dieser Nachteil der grundsätzlich geringen Ladungsbewegung kann mittels der Ladungsbewegungseinrichtung 32, mittels welcher die besonders starke beziehungsweise ausgeprägte zweite Ladungsbewegung bewirkbar ist, kompensiert werden. Durch die Auslegung des Einlasskanals 24 als Füllungskanal kann eine besonders hohe Füllung des Zylinders realisiert werden, wodurch besonders hohe Leistungen der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine erreicht werden können. Die auch als Ladungsbewegungsverstellsystem bezeichnete Ladungsbewegungseinrichtung 32 ermöglicht eine hohe Ladungsbewegung in der Teillast. In Bereichen des Kennfelds 10, in denen die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit Schichtladung beziehungsweise mit Schichtladungsverbrennung betrieben wird, können mittels der hohen beziehungsweise starken Ladungsbewegung signifikante Vorteile hinsichtlich der Stickoxid- und Partikelemissionen erzielt werden, da beispielsweise Ventilsteuerzeiten eingestellt werden können, die mit einem niedrigen Ladungsbewegungsniveau nicht eingestellt werden können. Auch Betriebsbereiche, in denen die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit homogener Gemischbildung betrieben wird und eine hohe Füllung nicht notwendigerweise erforderlich ist, kann ebenfalls die beispielsweise als Tumbleströmung ausgebildete, zweite Ladungsbewegung eingestellt werden.
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Aus dem Diagramm ist ein Betrieb, insbesondere eine Steuerung oder Regelung, der Ladungsbewegungseinrichtung 32 erkennbar. Die Ladungsbewegungseinrichtung 32 ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung einer Strömung, insbesondere einer Tumbleströmung, mit der die Ladung in den Zylinder einströmt. In einem schraffierten Bereich B des Kennfelds 10 ist das Verstellelement 34 betätigt, sodass sich die Ladungsbewegungseinrichtung 32 in ihrem zweiten Zustand befindet. Somit strömt die Ladung mit einer starken Ladungsbewegung, insbesondere mit einer starken Tumbleströmung, in den Zylinder ein. Beispielsweise strömt die Ladung auch in dem ersten Zustand der Ladungsbewegungseinrichtung 32 mit einer Strömung, insbesondere mit einer Tumbleströmung, in den Zylinder ein, jedoch ist die Tumbleströmung in dem zweiten Zustand gegenüber dem ersten Zustand stärker beziehungsweise intensiver. In von dem Bereich B unterschiedlichen Bereichen C des Kennfelds ist die Ladungsbewegung, insbesondere die Tumbleströmung, gegenüber dem zweiten Zustand und gegenüber dem Bereich B reduziert, sodass sich beispielsweise die Ladungsbewegungseinrichtung 32 in den übrigen Bereichen C in dem ersten Zustand befindet.
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In einem Bereich D des Kennfelds 10 sind beispielsweise ein Magerbetrieb mit Schichtladung der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine und dabei vorzugsweise ein Homogen-Schichtverfahren mit einem Verbrennungsluftverhältnis (λ) von größer als 1 vorgesehen, sodass beispielsweise in dem Bereich D gilt: λ > 1.
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In einem Bereich E des Kennfelds 10 ist beispielsweise ein Homogen-Magerbetrieb mit λ > 1 vorgesehen. Ferner ist beispielsweise in einem Bereich F ein stöchiometrischer oder unterstöchiometrischer Betrieb mit λ < 1 vorgesehen.
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Insgesamt ist erkennbar, dass im Schichtladungsbetrieb der zweite Zustand der Ladungsbewegungseinrichtung 32 und somit die gegenüber der ersten, beispielsweise als Tumbleströmung ausgebildeten Ladungsbewegung stärkere beziehungsweise intensivere zweite, beispielsweise als Tumbleströmung ausgebildete Ladungsbewegung eingestellt sind. Das Verfahren ermöglicht somit beispielsweise eine zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Verstellung des Verstellelements 34 und somit der Ladungsbewegung beziehungsweise der Tumbleströmung, insbesondere für Übergangsbereiche zwischen den jeweiligen Bereichen D, E und F.
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Vorzugsweise ist der insbesondere zentral im Zylinderkopf 18 angeordnete Injektor 28 als nach außen öffnender Injektor ausgebildet, sodass der Injektor 28 beispielsweise eine nach außen öffnende Düsennadel aufweist, welche in Richtung des Zylinders öffnet, um dadurch Kraftstoff in den Zylinder direkt einzuspritzen. Alternativ oder zusätzlich ist der Injektor 28 als Piezoinjektor und somit als piezoelektrischer Injektor ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich wird der Kraftstoff beispielsweise mit einem Einspritzdruck von mehr als 180 bar direkt in den Zylinder eingespritzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013221308 A1 [0002]
- DE 10144683 A1 [0003]
