DE10344426B4

DE10344426B4 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10344426B4
Application number: DE10344426.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Brachert Götz; Dr.-Ing. Herweg Rüdiger; Dipl.-Ing. Kanning Kai; Dipl.-Ing. Pfau Matthias; Dipl.-Ing. Schäflein Jochen; Dipl.-Ing. Weimann Hans-Jürgen
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: DE10344426A1; US7347179B2; WO2005040575A1; US20060201479A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer im Viertakt arbeitenden Brennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen:- in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine, dessen Volumen sich zyklisch ändert, wird Kraftstoff direkt eingespritzt,- Frischgas wird durch mindestens ein Einlassventil zugeführt und Verbrennungsabgas wird durch mindestens ein Auslassventil abgeführt,- bei Teillast wird ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und rückgehaltenem Abgas und bei Volllast ein stöchiometrisches Gemisch gebildet,- bei Teillast erfolgt eine Kompressionszündung und bei Volllast eine Funkenzündung, dadurch gekennzeichnet,dass bei einer Drehzahlerhöhung eine prinzipbedingte Verschiebung der Verbrennungslage nach früh durch die Verschiebung der Phasenlage von Ein- und/oder Auslassphase korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1.
Beispielsweise ist aus der DE 195 19 663 A1 ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung bekannt, bei welchem in einer ersten Stufe ein homogenes, nicht selbstzündendes vorverdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch im Arbeitsraum bereitgestellt wird und in einer zweiten Stufe eine Zusatzmenge desselben Kraftstoffs in den Arbeitsraum eingespritzt wird, um die Selbstzündung herbeizuführen. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dabei mittels äußerer Gemischbildung bereitet und in den Arbeitsraum eingebracht, um dort bis nahe an den Selbstzündungspunkt verdichtet zu werden. Die Einspritzung der Zusatzmenge Kraftstoff in der zweiten Stufe erfolgt fein zerstäubt unter Vermeidung von Wandberührungen unter Bildung einer Gemischwolke, in der einerseits das Kraftstoff-Luft-Verhältnis nicht größer als das stöchiometrische Mischungsverhältnis ist und in der andererseits die Selbstzündungsbedingung erreicht wird.
Weiterhin ist aus der DE 198 52 552 C2 ein Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors bekannt, welches bei Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas und bei Volllast ein stöchiometrisches Gemisch bildet. Bei Teillast erfolgt eine Kompressionszündung, während bei Volllast eine Funkenzündung stattfindet. Weiterhin ist eine mechanisch gesteuerte Abgasrückhaltung mit schaltbarer Ventilunterschneidung und Abgasdrosselung vorgesehen. In das zurückgehaltene Abgas kann eine Aktivierungseinspritzung vorgenommen werden. Die Menge des zurückgehaltenen Abgases ist bei eingeschalteter Ventilunterschneidung abhängig von der Motordrehzahl und -last durch eine für alle Brennräume wirksamen Abgasdrosselklappe gesteuert bzw. voreingestellt. Der Druck beim Öffnen der Einlassorgane in die einzelnen Brennräume wird durch eine zylinderselektive und zykluskonsistente Aktivierungseinspritzung gleichgestellt.
Auch aus der DE 198 18 596 C2 ist ein Verfahren zum Betrieb einer im Viertakt arbeitenden Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt. Es ist durch ein homogenes, mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas sowie Kompressionszündung und direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum gekennzeichnet. Das Volumen des Brennraums verändert sich zyklisch. Der Brennraum ist durch mindestens ein Einlassorgan mit Frischgas befüllbar, während die Verbrennungsabgase durch mindestens ein Auslassorgan zumindest teilweise ausschiebbar sind. Die Brennkraftmaschine wird im Teillastbereich und im unteren Volllastbereich mit Kompressionszündung und vorzugsweise mechanisch gesteuerter Abgasrückhaltung betrieben, während sie im Volllast- und hohen Teillastbereich ottomotorisch betrieben wird.
Die US 2001 / 0 052 335 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer im Viertakt arbeitenden Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt. Es ist durch ein homogenes, mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas sowie Kompressionszündung und direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum gekennzeichnet. Das Volumen des Brennraums verändert sich zyklisch. Der Brennraum ist durch mindestens ein Einlassorgan mit Frischgas befüllbar, während die Verbrennungsabgase durch mindestens ein Auslassorgan zumindest teilweise ausschiebbar sind. Die Brennkraftmaschine wird im Teillastbereich und im unteren Volllastbereich mit Kompressionszündung betrieben, während sie im Volllast- und hohen Teillastbereich ottomotorisch betrieben wird. Im Betrieb mit Kompressionszündung wird eine Verbrennungslage mit fallender Drehzahl in Richtung spät verstellt.
Die US 6 622 689 B2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer im Viertakt arbeitenden Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt. Es ist durch ein homogenes, mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas sowie Kompressionszündung und direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum gekennzeichnet. Das Volumen des Brennraums verändert sich zyklisch. Der Brennraum ist durch mindestens ein Einlassorgan mit Frischgas befüllbar, während die Verbrennungsabgase durch mindestens ein Auslassorgan zumindest teilweise ausschiebbar sind. Die Brennkraftmaschine wird im Teillastbereich und im unteren Volllastbereich mit Kompressionszündung betrieben, während sie im Volllast- und hohen Teillastbereich ottomotorisch betrieben wird. Im Betrieb mit Kompressionszündung wird ein Schließen eines Auslasses mit fallender Last in Richtung früh verstellt.
Nachteilig an den aus den oben genannten Druckschriften bekannten Verfahren ist insbesondere, dass sich bei Drehzahländerungen die Temperatur des Abgases sowie die Zusammensetzung des Arbeitsgases ändert. Dadurch wird die Reaktionsfähigkeit des Gemischs bei der Kompressionszündung ebenfalls verändert, bis hin zu Zündaussetzern bei zu niedrigen Arbeitsgastemperaturen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei welchem Änderungen der Reaktionsfähigkeit des Gemischs bei Drehzahländerungen berücksichtigt bzw. korrigiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass bei Drehzahlerhöhung eine prinzipbedingte Verschiebung der Verbrennungslage nach früh durch die Verschiebung der Phasenlage von Ein- und/oder Auslassphase optimiert werden kann. Durch eine derart gezielte Änderung der Steuerzeiten können Änderungen der Temperatur des Arbeitsgases und der Arbeitsgaszusammensetzung bei Drehzahländerungen effektiv korrigiert werden.
Bei Erniedrigung der Drehzahl kann entweder die Einlassphase nach früh oder die Auslassphase nach spät verschoben werden, oder die beiden Phasenverschiebungen können gleichzeitig durchgeführt werden, wobei sich die Effekte addieren.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Es zeigen:

1 ein Diagramm von Luftaufwand, 50%-Umsatz und indiziertem Mitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl;
2 eine Graphik des Zylinderdrucks und der Ventilerhebungskurve während der Zwischenkompression für verschiedene Drehzahlen;
3 eine Graphik des Saugrohrdrucks und der Ventilerhebungskurve während der Zwischenkompression für verschiedene Drehzahlen;
4 ein Diagramm der Verbrennungslage in Abhängigkeit von Ein- und Auslassphase für verschiedene Einspritzzeitpunkte;
5 eine Graphik des Zylinderdrucks in der Zwischenkompression in Abhängigkeit von der Auslassphase;
6 eine Graphik des Zylinderdrucks und des Saugrohrdrucks während der Ansaugphase in Abhängigkeit von der Einlassphase; und
7 ein Diagramm zur Erläuterung der Verstellstrategie bei Drehzahländerung bei konstantem indizierten Mitteldruck.

Antrieb der Forschung und Entwicklung bei Brennkraftmaschinen ist die stetige Verbesserung des Verbrauchs bei gleichzeitiger Verringerung der Rohemission. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen bieten sich vor allem alternative Laststeuerverfahren an, um den Teillastwirkungsgrad zu erhöhen. Wichtigste Entwicklungsrichtungen sind der geschichtete Direkteinspritzer, der fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit Hilfe von Qualitätsregelung den selbstzündenden Brennkraftmaschinen (Dieselmotor) ) näher rückt, und der variable Ventiltrieb kombiniert mit Restgasstrategien, welche die Ladungswechselverluste begrenzen sollen. Beide Verfahren versprechen theoretisch große Vorteile, scheitern aber im einen Fall an der teuren Abgasnachbehandlung des überstöchiometrischen Gemischs, im anderen Fall an der begrenzten Restgasverträglichkeit von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Ideal stellt sich eine Verknüpfung beider Verfahren dar: eine qualitätsgeregelte Brennkraftmaschine mit hohen Restgasgehalten und Selbstzündung, die durch homogene Verbrennung bei überstöchiometrischem Betrieb kein oder kaum Stickoxid emittiert.
Eigenschaft homogener Brennverfahren ist der durch die Temperatur bzw. die Gemischzusammensetzung bestimmte Selbstzündungszeitpunkt. Realisiert man die notwendigen Ladungstemperaturen mit Hilfe von Abgasrückhaltung, genauer über die Parameter Abgastemperatur und -menge, ergibt sich eine Abhängigkeit der Verbrennungslage des Zyklus n vom Vorzyklus (n-1), im Extremfall wird die notwendige Selbstzündungstemperatur nicht erreicht. Die Verbrennungslage ihrerseits ist bestimmend für die Zielgrößen der Brennkraftmaschine und muss deshalb last- und drehzahlabhängig definierte Werte aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten zu finden, die bei Betriebspunktwechsel innerhalb des von der Raumzündverbrennung abgedeckten Teillastbereichs notwendigen Veränderungen in Abgasmenge bzw. -temperatur umzusetzen, ohne die Verbrennung negativ zu beeinflussen.
Abgasrückhaltung kann prinzipiell mit Hilfe geeigneter Steuerzeiten erreicht werden. Nötig ist zunächst ein frühes Schließen des Auslassventils, um die nötige Menge Restabgas im Brennraum der Brennkraftmaschine zu halten. Um ein Rückströmen des heißen Abgases in das Saugrohr und dadurch bedingte Abkühleffekte und Füllungsverluste zu vermeiden, wird gleichzeitig das Einlassventil später geöffnet. Bei konventionellen, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist dieses Konzept jedoch nicht ohne weitere Maßnahmen anwendbar.
Gestaltet man diese Ventilunterschneidung ausreichend variabel, ergibt sich das erste Steuerungskonzept für diese Art der Bereitstellung der notwendigen Temperatur. Die Forderung nach einem unbeeinflussten Hochdruckteil und somit bestmöglicher Füllung setzt hierbei allerdings den Einsatz eines vollvariablen Ventiltriebs voraus, bei welchem Öffnungs- und Schließzeitpunkt unabhängig voneinander verstellt werden können.
Kehrt man zurück zur herkömmlichen Nockenwelle, bleibt die Einstellung einer definierten Abgasrückhalterate den schon im Serieneinsatz verbreiteten Nockenwellenstellern vorbehalten. Als unerwünschter Nebeneffekt verändert sich bei einer starren Nockenkontur mit dem Winkel, bei welchem das Ventil schließt, jeweils auch der Winkel, bei welchem das Ventil öffnet, was zu Ladungs- und Wirkungsgradverlusten und nicht zuletzt zu einem eingeschränkten Betriebsbereich in Last und Drehzahl führt.
Neben der Steuerung der Temperatur bei Kompressionsende mit Hilfe der Abgasrückhalterate bzw. -menge ergibt sich durch den Einsatz der Direkteinspritzung und den Betrieb der Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss auch eine Einflussnahme auf die Arbeitsgastemperatur und/oder die Gemischzusammensetzung des Kraftstoffs. Die Wirkungsweise der Direkteinspritzung lässt sich dabei in zwei Mechanismen untergliedern: zum einen in einen thermischen Effekt, der eine Erhöhung der Abgastemperatur in Folge der Umsetzung des voreingespritzten Kraftstoffs vorsieht, zum anderen eine auftretende Vorkonditionierung des Kraftstoffs, die dessen Reaktivität erhöht und somit Einfluss auf den integralen Zündverzug nimmt.
Zur Ermittlung des Einflusses der Drehzahl auf die Raumzündverbrennung wird hierbei ausgehend von einem Referenzpunkt der Brennkraftmaschine (2.000 U/min und 3 bar p_m1) die Drehzahl bei ansonsten konstanten Randbedingungen erhöht.
1 zeigt den Luftaufwand, den 50%-Umsatz sowie den indizierten Mitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl. Zunächst bleibt der Luftaufwand undifferenziert, die Brennraumfüllung nimmt erst bei hohen Drehzahlen stark ab. Die Verbrennungslage schwankt mit der Variation des Luftaufwands und verschiebt sich bei hohen Drehzahlen schließlich nach früh. Der indizierte Mitteldruck steigt zunächst um denselben Betrag, um den die Ladungswechselarbeit geringer wird, an, ersichtlich am indizierten Ladungswechselmitteldruck. Erst bei zu früher und damit Wirkungsgrad-ungünstiger Verbrennungslage sinkt der indizierte Mitteldruck mit Erhöhung der Drehzahl.
Mit zunehmender Drehzahl verbleibt dabei mehr Abgas im Brennraum, erkenntlich am steigenden Maximaldruck in der Zwischenkompression, wie aus 2 ersichtlich. Zudem ergeben sich durch den geringeren Wandwärmeübergang höhere Abgastemperaturen.
Das höhere Druckniveau in der Zwischenkompression führt zu einem ansteigenden Rückstrom von Abgas in das Ansaugrohr beim Öffnen des Einlassventils. Dieser Rückstrom (Backflow) macht sich in einer Erhöhung des Saugrohrdrucks bemerkbar, wie aus 3 ersichtlich. Gleichzeitig fällt eine reflektierte Überdruckwelle nahe dem Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils auf. Ihr Maximum liegt in der gezeigten Motorkonfiguration bei einer Drehzahl von ca. 2.400 bis 2.500 U/min genau beim Schließen des Einlassventils an und führt damit zu einem dynamischen Nachladeeffekt, der den Verlauf des Luftaufwands in 1 nachvollziehbar macht. Wichtig ist die Tatsache, dass die Verbrennung von solchen bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen in der Teillast eher unwichtig erscheinenden Ereignissen stark beeinflusst wird. Dies muss bei der Auslegung der Saugstrecke berücksichtigt werden.
Werden nun beim gewählten Referenzpunkt von 2.000 U/min und 3 bar p_m1 sowie konstanter Einspritzmasse die Phasenlagen von Ein- und Auslassnockenwelle verändert, ist die Wirkung von primären Einflussparametern wie beispielsweise den Ventilsteuerzeiten unmittelbar ersichtlich.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Verbrennungslage in Abhängigkeit von Ein- und Auslassphase.
Eine Verstellung der Auslassphase nach früh bewirkt demnach eine Frühverschiebung der Verbrennungslage. Eine spätere Einlassphase führt ebenfalls zu einer Frühverschiebung der Verbrennung in etwa demselben Maß. Bei gleichzeitiger Verstellung der Phasenlagen verdoppelt sich der Effekt. Die Steuerzeiten von Ein- und Auslassventilen sind also nicht getrennt voneinander zu betrachten, sondern beeinflussen sich gegenseitig.
Betrachtet man die kurbelwinkelaufgelösten Indizierdaten gemäß dem in 5 dargestellten Diagramm, erklärt sich die Verschiebung der Verbrennungslage. Dargestellt ist die Erhöhung des Zylinderdruckniveaus in der Zwischenkompression mit einem früheren Schließen des Auslassventils. Durch die Vergrößerung des Restgasgehaltes steigt die Gastemperatur in der Kompression, die Verbrennung beginnt demnach früher. Die Erhöhung des Maximaldrucks im Gaswechsel-Totpunkt fällt aber im Vergleich zu einer Verschiebung des Schließens des Auslassventils eines vollvariablen Ventiltriebs relativ gering aus. Aufgrund der starren Nockenkontur verschiebt sich mit früherem Schließen des Auslassventils auch der Öffnungswinkel des Auslassventils und schneidet die Expansion ab. Da bei immer höherem Gegendruck geöffnet wird, strömt schon in dieser Phase mehr Abgas aus dem Brennraum der Brennkraftmaschine. Für die Verschiebung der Einlassphase ergeben sich, wie aus 6 ersichtlich, zwei Grenzfälle. Zum einen strömt Abgas aus dem Brennraum bei zu frühem Öffnen des Einlassventils in das Saugrohr zurück. Dies führt zu einer Drucküberhöhung im Saugrohr und zu einer Abnahme des Drucks im Brennraum. Der andere Grenzfall ergibt sich durch das zu späte Schließen des Einlassventils. Hierbei kommt es zu Füllungsverlusten durch Ausschieben der frisch angesaugten Zylinderladung und damit zu einer Verminderung der effektiven Verdichtung.
7 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Drehzahländerungsstrategie nur mit Hilfe der Phasenlagen der beiden Nockenwellen, ohne dabei den indizierten Mitteldruck zu verändern. Der mit steigender Drehzahl sinkende Wandwärmeübergang pro Arbeitsspiel führt zu einem erhöhten Temperaturniveau der Brennkraftmaschine. Um die Verbrennungslage konstant zu halten, kann also mehr Abgas aus dem Brennraum ausgestoßen, d.h. die Ventilunterschneidung verringert werden. Die Wirkungsgradverbesserung durch die geringer werdenden Wandwärmeverluste muss durch eine Verringerung der Einspritzmenge ausgeglichen werden. Dabei ist ein Konstanthalten der indizierten Last durch den mit der Drehzahl steigenden Reibmitteldruck im realen Fahrbetrieb nicht wirklich sinnvoll. Die Veränderung der Ventilunterschneidung ist im Fall der Drehzahländerung durch die hydraulischen Nockenwellensteller realisierbar, da dieser Vorgang verhältnismäßig lange dauert.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer im Viertakt arbeitenden Brennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen: - in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine, dessen Volumen sich zyklisch ändert, wird Kraftstoff direkt eingespritzt, - Frischgas wird durch mindestens ein Einlassventil zugeführt und Verbrennungsabgas wird durch mindestens ein Auslassventil abgeführt, - bei Teillast wird ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und rückgehaltenem Abgas und bei Volllast ein stöchiometrisches Gemisch gebildet, - bei Teillast erfolgt eine Kompressionszündung und bei Volllast eine Funkenzündung, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drehzahlerhöhung eine prinzipbedingte Verschiebung der Verbrennungslage nach früh durch die Verschiebung der Phasenlage von Ein- und/oder Auslassphase korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung nach spät verschoben wird, indem die Auslassphase nach spät verstellt wird, wobei das Auslassventil später geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung nach spät verschoben wird, indem die Einlassphase nach früh verstellt wird, wobei das Einlassventil früher geöffnet wird.