DE102018209384A1

DE102018209384A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018209384A1
Application number: DE102018209384.9A
Authority: DE
Inventors: Claus Reulein; Martin Wetzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2019-12-19
Also published as: CN110594024A; CN110594024B

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis, wobei die Hubkolbenbrennkraftmaschine- von einer Leerlaufdrehzahl bis zu einer Höchstdrehzahl bei niedriger bis zu einer mittleren Last mit einer hohen Verdichtung betrieben wird und- von einer Leerlaufdrehzahl bis zu einer mittleren Drehzahl ab einer mittleren Last bis zu einer maximalen Last mit einer niedrigen Verdichtung betrieben wird,wobei die Hubkolben-Brennkraftmaschine- ab einer mittleren Drehzahl und ab einer mittleren Last bis zu einer maximalen Last mit einer hohen Verdichtung betrieben wird.Durch den erfindungsgemäßen Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine wird die spezifische Leistung bei stöchiometrischer Verbrennung erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1.
Zum technischen Umfeld für Brennkraftmaschinen mit einem variablen Verdichtungsverhältnis wird beispielsweise auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2016 200 190 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Vorrichtung zur variablen Einstellung einer Zylinderverdichtung für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine beschrieben. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Ermitteln eines Wertes eines Motorparameters, der Indikativ für eine Brennkraftmaschinenposition ist, bei einer definierten Zylinderverdichtung,
- Vergleichen des ermittelten Wertes mit einem weiteren Wert des Motorparameters und
- in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs,
- Bestimmen, ob die Vorrichtung zur variablen Einstellung für die Zylinderverdichtung korrekt funktioniert.

Weiter wird auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 10 010 032 487 A1 hingewiesen. Aus dieser ist ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für einen Kraftwagen bekannt. Bei der Hubkolben-Brennkraftmaschine ist ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung einstellbar. Hierbei wird die Stelleinrichtung mittels zumindest einer Erfassungseinrichtung auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit geprüft. Die Stelleinrichtung wird von einem Normalbetriebszustand in einen Fehlerbetriebszustand geschaltet, wenn anhand des Überprüfens eine Abweichung einer Erfassten Ist-Funktionsfähigkeit von der vorgegebenen Funktionsfähigkeit ermittelt wird.
Weiter wird auf die Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2016/016,191 A1 hingewiesen. In dieser ist ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine beschrieben, mit einer Verstellung der effektiven Länge eines Pleuels in einem Zylinder, wobei das damit verstellbare Verdichtungsverhältnis zumindest während des Betriebs der Hubkolben-Brennkraftmaschine geändert und hierbei mit zumindest einer weiteren Komponente der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgestimmt wird.
Das Verdichtungsverhältnis bei Otto-Brennkraftmaschinen ist aufgrund irregulärer Verbrennungen im niedrigen Lastbereich begrenzt. Inzwischen wurden, wie oben dargestellt, Systeme vorgestellt, die eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses im Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglichen. In der Regel werden diese Systeme dafür eingesetzt, um im niedrigen Lastbereich zur Wirkungsgradsteigerung ein hohes Verdichtungsverhältnis einzustellen und im hohen Lastbereich zur Robustheitssteigerung der Verbrennung ein niedriges Verdichtungsverhältnis einzustellen, um dadurch den Ladedruckbedarf gering bzw. die Schwerpunktlage der Verbrennung früh zu halten.
Aufgrund des niedrigen Verdichtungsverhältnisses ergibt sich nur eine geringe Expansion des Arbeitsgases und damit eine Erhöhung der Abgastemperatur gegenüber einer Expansion bei hohem Verdichtungsverhältnis. Auch ergeben sich bei geringen Verdichtungsverhältnissen relativ frühe Schwerpunktlagen der Verbrennung. Dies führt dazu, dass Maßnahmen zur Reduzierung der Volllastanfettung, wie z. B. Millerbrennverfahren, bzw. Wassereinspritzung, nur ein eingeschränktes Potenzial haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der bei mittleren bis hohen Lasten und von mittleren bis hohen Drehzahlen die Abgastemperaturen gesenkt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahrensmerkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Nutzung der Möglichkeiten vorgeschlagen, die ein VCR-System (Variable Compression Ratio) bietet, um in der Volllast und im volllastnahen Bereich bei hohen Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine das Verdichtungsverhältnis anzuheben, um durch die erweiterte Expansion die Abgastemperatur abzusenken und damit auch die Wirksamkeit von Brennverfahren, wie z. B. dem Millerbrennverfahren oder einer Wassereinspritzung, hinsichtlich der Absenkung der Abgastemperatur, bzw. Reduzierung der Anfettung, zu steigern.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Erhöhung der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine bei stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1), bzw. die Reduzierung des Wasserverbrauchs bei einem Brennverfahren mit Wassereinspritzung möglich. Dies führt zu einer massiven Reduzierung der CO₂ Emissionen und bietet einen Beitrag zur Erfüllung der RDE-Gesetzgebung (Real Driving Emissions). Weiter führt das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben dargestellt, zu einer Reduzierung des Wasserverbrauchs was einen erheblichen Kundennutzen (seltener Wasser nachtanken) mit sich bringt, bzw. ein Kostenpotenzial durch Reduzierung der Brennkraftmaschinenapplikationen mit Wassereinspritzung. Gleichzeitig führt der erfindungsgemäße Verfahren zu einer massiven Absenkung des Brennstoffverbrauchs.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer einzigen Figur näher erläutert.

1 zeigt in einem Diagramm ein Betriebskennfeld für eine Brennkraftmaschine.

1 zeigt in einem Diagramm ein übliches Betriebskennfeld für eine hubkolben-Brennkraftmaschine. Über eine Y-Achse ist das Drehmoment M_d [Nm] der Brennkraftmaschine dargestellt. Über eine X-Achse ist eine Drehzahl n [1/min] einer Brennkraftmaschine dargestellt. Das Kennfeld ist in drei grobe Bereiche eingeteilt.
Ein erster Bereich 1 erstreckt sich von einer Minimaldrehzahl nmin der Hubkolben-Brennkraftmaschine bis zu einer maximalen Drehzahl nmax der Hubkolben-Brennkraftmaschine und von einem minimalen Drehmoment Md_min bis ca. zu einem mittleren Drehmoment Md_mittel .
Ein zweiter Bereich 2 in dem Diagramm erstreckt sich ca. vom mittleren Drehmoment Md_mittel bis zu einem maximalen Drehmoment Mdmax und von der minimalen Drehzahl nmin bis ca. zur mittleren Drehzahl n_mittel .
Ein dritter Bereich 3 in dem Diagramm erstreckt sich ca. von der mittleren Drehzahl n_mittel bis zur maximalen Drehzahl nmax und ca. vom mittleren Drehmoment Md_mittel bis zum maximalen Drehmoment Mdmax.
Im ersten Bereich 1 wird die Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer hohen Verdichtung betrieben, für eine Wirkungsgradsteigerung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In dem zweiten Bereich 2 wird die Brennkraftmaschine mit einer niedrigen Verdichtung betrieben, um irreguläre Verbrennungen zu vermeiden.
Im dritten Bereich 3 wird die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß mit einer hohen Verdichtung betrieben, um die oben angeführten Vorteile zu erzielen.
Es ist somit ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis beschrieben, wobei die Hubkolben-Brennkraftmaschine

- von einer Leerlaufdrehzahl nmin bis zu einer Höchstdrehzahl nmax bei niedriger Last Md_min bis zu einer mittleren Last Md_mittel mit einer hohen Verdichtung betrieben wird und
- von einer Leerlaufdrehzahl nmin bis zu einer mittleren Drehzahl n_mittel und ab einer mittleren Last Md_mittel bis zu einer maximalen Last Mdmax mit einer niedrigen Verdichtung betrieben wird und wobei
- ab einer mittleren Drehzahl n_mittel bis zu einer maximalen Drehzahl nmax und ab einer mittleren Last Md_mittel bis zu einer maximalen Last Mdmax mit einer hohen Verdichtung betrieben wird.

Bezugszeichenliste

1.: Bereich n_min bis n_max , Md_min bis Md_mittel
2.: Bereich n_min bis n_mittel , Md_mittel bis Md_max
3.: Bereich n_mittel bis n_max , Md_mittel bis Md_max

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016200190 A1 [0002]
DE 10010032487 A1 [0003]
WO 2016/016191 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis, wobei die Hubkolbenbrennkraftmaschine - von einer Leerlaufdrehzahl nmin bis zu einer Höchstdrehzahl nmax bei niedriger Last Md_min bis zu einer mittleren Last Md_mittel mit einer hohen Verdichtung betrieben wird und - von einer Leerlaufdrehzahl nmin bis zu einer mittleren Drehzahl n_mittel und ab einer mittleren Last Md_mittel bis zu einer maximalen Last Mdmax mit einer niedrigen Verdichtung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolben-Brennkraftmaschine - ab einer mittleren Drehzahl n_mittel bis zu einer maximalen Drehzahl nmax und ab einer mittleren Last Md_mittel bis zu einer maximalen Last Mdmax mit einer hohen Verdichtung betrieben wird.