DE112005001516T5 - Verfahren für den Mittellastbetrieb einer Selbstzündungsverbrennung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches eines Viertaktmotors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung, der mindestens einen Zylinder mit direkter Kraftstoffeinspritzung aufweist, der einen Kolben enthält, der hin- und herbeweglich mit einer Kurbelwelle verbunden ist und eine Brennkammer mit variablem Volumen bildet, und der ein Einlassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Lufteinlass steuert, und ein Auslassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Abgasauslass steuert, wobei das Verfahren umfasst, dass:
ein variables Ventilbetätigungssystem angewandt wird, um die Einlass- und Auslassventile variabel zu betätigen, wobei das Ventilbetätigungssystem in der Lage ist, die Einlass- und Auslassventile mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie und einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie zu betreiben; und
eine Reservoirkammer in Verbindung mit der Brennkammer bereitgestellt wird, um das restliche verbrannte Gas temporär zu halten;
wobei restliches verbranntes Gas in der Brennkammer und dem Abgasauslass in die Reservoirkammer eintritt und dann Wärmeenergie verliert, während es sich in der Reservoirkammer befindet, bevor es zurück in...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches eines Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung, und insbesondere die Verwendung einer Öffnungsdrosselung als eine Alternative für eine externe Abgasrückführung (AGR), um etwas von der Wärmeenergie, die zu den internen Resten gehört, die für eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung und Ladungsverdünnung benötigt werden, zu dissipieren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Benzinverbrennungsmotoren ergibt eine verdünnte Verbrennung unter Verwendung von entweder Luft oder rückgeführtem Abgas (AGR) bekanntlich einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad und geringere NOx-Emissionen. Es gibt jedoch infolge einer Fehlzündungs- und Verbrennungsinstabilität aufgrund einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bei der der Motor mit einem verdünnten Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Ausdehnen der Verdünnungsgrenze umfassen: 1) das Verbessern der Zündfähigkeit des Gemisches durch Erweitern der Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung; 2) das Erhöhen der Flammengeschwindigkeit durch Einleiten einer Ladungsbewegung und Turbulenz; und 3) das Betreiben des Motors mit einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung.
  • Der Prozess der gesteuerten Selbstzündung wird manchmal als homogener Verdichtungszündungsprozess (von Homogeneous Charge Compression Ignition oder HCCI-Prozess) bezeichnet. Bei diesem Prozess wird ein Gemisch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff erzeugt, und es wird eine Selbstzündung gleichzeitig von vielen Zündstellen aus innerhalb des Gemisches während der Verdichtung eingeleitet, was zu einer sehr stabilen Ausgangsleistung und zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Die Verbrennung ist stark verdünnt und gleichmäßig durch die Ladung hindurch verteilt. Die Temperatur des verbrannten Gases, und somit die NOx-Emissionen, sind wesentlich niedriger als die von herkömmlichen fremdgezündeten Motoren auf der Grundlage einer fortschreitenden Flammenfront und von Dieselmotoren auf der Grundlage einer fixen Diffusionsflamme. Sowohl bei Otto- oder Fremdzündungsmotoren als auch bei Dieselmotoren ist die Temperatur des verbrannten Gases innerhalb des Gemisches stark heterogen mit einer sehr hohen lokalen Temperatur, die starke NOx-Emissionen erzeugt.
  • Motoren, die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind in Zweitakt-Benzinmotoren unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses erfolgreich demonstriert worden. Man geht davon aus, dass der hohe Anteil verbrannter Gase, der von dem vorhergehenden Zyklus verbleibt, d.h. der Restinhalt, innerhalb der Brennkammer des Zweitaktmotors dafür verantwortlich ist, die hohe Gemischtemperatur bereitzustellen, die notwendig ist, um eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu fördern. In Viertaktmotoren mit einem traditionellen Ventilmittel ist der Restinhalt niedrig und die gesteuerte Selbstzündung bei Teillast ist schwierig zu erreichen. Bekannte Verfahren, um eine gesteuerte Selbstzündung bei niedriger und Teillast einzuleiten, umfassen: 1) Ansauglufterwärmung; 2) variables Verdichtungsverhältnis; und 3) Mischen von Benzin mit Zündungsförderern, um ein leichter zündfähiges Gemisch als Benzin zu erzeugen. In all den obigen Verfahren ist der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, relativ schmal.
  • Motoren, die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind in Viertakt-Benzinmotoren unter Verwendung einer variablen Ventilbetätigung mit unkonventionellen Ventilmitteln demonstriert worden. Das nun Folgende ist eine Beschreibung einer derartigen unkonventionellen Ventilstrategien. Mit dieser Ventilstrategie wird ein hoher Anteil von Restverbrennungsprodukten von vorhergehenden Verbrennungszyklen zurückbehalten, um die notwendige Bedingung für eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch bereitzustellen. Der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, wird unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses stark ausgedehnt.
  • Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors offenbart worden, bei dem eine Verbrennung mindestens teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Eine Strömung einer vorgemischten Kraftstoff/Luft-Ladung und verbrannter Gase wird durch ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt, um Bedingungen in der Brennkammer zu erzeugen, die für einen Selbstzündungsbetrieb geeignet sind. Das verwendete Ventilmittel umfasst ein Einlassventil, das eine Strömung eines vorgemischten Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal in die Brennkammer steuert, und ein Auslassventil, das eine Strömung von verbrannten Abgasen aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert. Das Auslassventil wird für zwei getrennte Zeiträume während des gleichen Viertaktzyklus geöffnet. Das Auslassventil wird für einen ersten Zeitraum geöffnet, um zuzulassen, dass verbrannte Gase aus der Brennkammer ausgestoßen werden können, und für einen zweiten Zeitraum, um zuzulassen, dass verbrannte Gase, die vorher aus der Brennkammer ausgestoßen wurden, zurück in die Brennkammer gesaugt werden. Das doppelte Öffnen des Auslassventils während jedes Viertaktzyklus schafft die notwendige Bedingung für eine Selbstzündung in der Brennkammer. Dies wird allgemein als eine Abgasrücksaug-Ventilstrategie bezeichnet.
  • Es ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors offenbart worden, bei dem eine Verbrennung mindestens teilweise einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Eine Strömung von Luft und verbrannten Gasen wird durch ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt, wie es oben ausführlich beschrieben wurde. Der Kraftstoff wird jedoch durch eine Benzineinspritzvorrichtung direkt in die Brennkammer abgegeben. Die Benzineinspritzvorrichtung injiziert Kraftstoff entweder während des Ansaugtaktes oder des nachfolgenden Verdichtungstaktes während eines einzigen Motorzyklus.
  • Im Allgemeinen ist der Betrieb eines HCCI-Motors durch die Verbrennungsstabilität bei niedriger Motorlast und durch den Druckanstieg im Zylinder oder die Amplitude einer Druckschwingung bei einer Mittellastgrenze begrenzt. Ein zu großer Druckanstieg oder eine zu große Druckschwingungsamplitude führt zu einem durch eine Verbrennung erzeugten Geräusch, das Klingeln genannt wird. Es ist experimentell herausgefunden worden, dass sowohl intern als auch extern rückgeführtes verbranntes Gas bei der Steuerung der Verbrennungsrate und somit des Druckanstiegs wirksam ist. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Regeln der Wärmeenergie des intern rückgeführten verbrannten Gases oder internen Restes als eine Alternative zu einer externen AGR für eine Verbrennungssteuerung eines HCCI-Motors im Mittellastbereich.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches eines Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung bereit. Genauer wird eine Öffnungsdrosselung als eine Alternative zu einer externen Abgasrückführung (AGR) verwendet, um etwas von der Wärmeenergie, die zu den internen Resten gehört, die für eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung und Ladungsverdünnung notwendig sind, zu dissipieren. Die Öffnungsdrosselung wird erreicht, indem ein Strömungssteuerventil in einem Zweig der Einlassleitungen für einen Motor mit zwei Einlassventilen pro Zylinder angewandt wird. Das Drallsteuerventil, das gegenwärtig in einem Selbstzündungsmotor mit geschichteter Ladung und Benzindirekteinspritzung für die Luftbewegungssteuerung oder -regelung in dem Zylinder verwendet wird, wird hierin als ein Beispiel benutzt, um dessen Effektivität zu demonstrieren.
  • Die vorliegende Erfindung arbeitet für alle Ventilstrategien gut. Beispielhaft werden hierin nur Ergebnisse, die unter Verwendung einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie erhalten werden, wie sie oben beschrieben wurde, präsentiert. Die verwendete Einspritzstrategie ist eine Einzelkraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes. Es wird ein insgesamt mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder erzeugt, indem der Anteil der Kraftstoff- und Luftmasse, die in den Zylinder gesaugt wird, gesteuert oder geregelt wird. Mit diesem Ansatz wird die Mittellast-Betriebsgrenze von etwa 450 kPa NMEP unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses erreicht, wie es entweder durch einen Druckanstieg oder eine Druckschwingungsamplitude, die einen vorgeschriebenen Schwellenwert übersteigen, bestimmt wird.
  • Es ist experimentell herausgefunden worden, dass eine Schwankung der Strömungssteuerungs-Ventileinstellung oder des Grades an Öffnungsdrosselung in einem Zweig der Einlassleitungen eine tiefgehende Auswirkung auf die Verbrennungsrate von Verbrennungsmotoren mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung hat. Im Besonderen nimmt mit abnehmender Strömungssteuerventileinstellung von Öffnen nach Schließen die Spitzenverbrennungsrate ab und die Verbrennungsdauer nimmt zu. Es ist darüber hinaus experimentell demonstriert worden, dass die beobachtete Verbrennungsratenabnahme mit einer Öffnungsdrosselung nicht durch Änderungen in der Gemischbewegung, d.h. dem Mischprozess, in dem Zylinder, wie es ursprünglich spekuliert wurde, hervorgerufen wird. Tatsächlich sind die Spitzenverbrennungsrate und Brenndauer für den Fall ohne die Öffnungsdrosselung und den Fall, bei dem das mit der gedrosselten Öffnung verbundene Einlassventil deaktiviert ist, gleich.
  • Eine Analyse mit einem eindimensionalen Gasdynamikmodell deckte auf, dass für den Fall mit dem geschlossenen Strömungssteuerventil ein großer Anteil des gesamten rückgeführten verbrannten Gases in dem Zylinder von der kälteren gedrosselten Einlassöffnung (ungefähr 440 Grad K Gastemperatur) eingesaugt wird, anstatt dass es vollständig aus der heißeren Auslassöffnung (ungefähr 740 Grad K Gastemperatur) zurückgesaugt wird. Dies führt zu einer niedrigeren Gemischtemperatur beim Einlassventilschließen (IVC), und somit zu einer verzögerten und langsameren HCCI-Verbrennung. Die Effektivität der Verwendung einer Öffnungsdrosselung für das thermische Management des rückgeführten verbrannten Gases variiert in Abhängigkeit von der Öffnungsdrosselungseinstellung. Der Effekt ist am stärksten, wenn das Strömungssteuerventil vollständig geschlossen ist.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird der Mittellastbereich eines Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung ausgedehnt, indem das Strömungssteuerventil geschlossen wird, um Nutzen aus der maximalen Wärmedissipation des rückgeführten verbrannten Gases in der gedrosselten Einlassöffnung zu ziehen. Im Besonderen wird der Mittellastbereich um mehr als 5 % bis etwa 475 kPa NMEP unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses mit einem akzeptablen Druckanstieg oder einer akzeptablen Druckoszillationsamplitude erhöht.
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bestimmten spezifischen Ausführungsformen der Erfindung zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen umfassender verstanden werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A ist eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 1B ist eine schematische Draufsicht, die die Ventilanordnung des Motors von 1A zeigt;
  • 2 ist ein Graph von Ventilhubprofilen als eine Funktion des Kurbelwinkels für Auslass- und Einlassventile eines Viertaktmotors mit gesteuerter Selbstzündungverbrennung mit einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie über die Verwendung eines mechanischen, nockenbetätigten Ventilsystems;
  • 3 ist ein Graph von Schwankungen in der Wärmefreigaberate als Funktion einer Strömungssteuerventileinstellung unter Verwendung einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20 für einen vollständigen vorgemischten Motorbetrieb;
  • 4A veranschaulicht die Einlasskonfiguration mit Öffnungsdeaktivierung, die durch Schließung des Strömungssteuerventils erreicht wird;
  • 4B veranschaulicht eine Einlasskonfiguration mit Einlassventildeaktivierung, die erreicht wird, indem der Schlepp- oder Schwinghebel des Einlassventils, der mit der SCV-Öffnung verbunden ist, beseitigt wird;
  • 5 zeigt Graphen von Schwankungen der Wärmefreigaberate für die Konfigurationen mit zwei Einlässen, die in 4 gezeigt sind, zusammen mit dem Fall SCV offen für sowohl einen vollständig vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
  • 6 zeigt Graphen von Schwankungen im gemessenen Zylinderdruck während des Gasaustauschzeitraums für die in 4 gezeigte Konfigurationen mit zwei Einlässen für sowohl einen vollständig vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direktein spritzung bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
  • 7 zeigt Graphen von Schwankungen in dem gemessenen (Experiment) und berechneten (1-D-Modellierung) Zylinderdruck während des Gasaustauschzeitraumsfür die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilprofilen für sowohl einen vollständig vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
  • 8 zeigt Graphen von der berechneten Gasgeschwindigkeit (1-D-Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile während des Gasaustauschzeitraums für die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
  • 9 zeigt Graphen von der berechneten Restströmungsrate (1-D-Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile während des Gasaustauschzeitraums für die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
  • 10 zeigt Graphen von dem berechneten Massenrestbruchteil (1-D-Modellierung) in sowohl SCV- als auch gera den Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile während des Gasaustauschzeitraums für die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
  • 11 zeigt Graphen der berechneten Gastemperatur (1-D-Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile während des Gasaustauschzeitraums für die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
  • 12 zeigt Graphen des gemessenen Verbrennungsleistungsvermögens als Funktion der Kraftstoffbeaufschlagungsrate für zwei SCV-Einstellungen (36 gegenüber 20 Grad) bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung; und
  • 13 ist ein Graph von Schwankungen in der Wärmefreigaberate als Funktion der Strömungssteuerventileinstellung und Kraftstoffbeaufschlagungsrate bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Der Einfachheit halber wird die folgende Beschreibung die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung auf einen Einzylinder-Viertakt-Benzin verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung richten, obwohl festzustellen ist, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf einen Mehrzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung oder Kraftstoffeinspritzung in die Einlassöffnung (port-fuel injected) anwendbar ist.
  • Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor 10 mit Direkteinspritzung, der in 1A gezeigt ist. In der Figur ist ein Kolben 12 in einem Zylinder 14 bewegbar und bildet mit dem Zylinder 14 eine Brennkammer 16 mit variablem Volumen. Ein Einlasskanal 18 liefert Luft in die Brennkammer 16. Die Strömung von Luft in die Brennkammer 16 wird durch ein Einlassventil 20 gesteuert. Verbrannte Gase können aus der Brennkammer 16 über einen Auslasskanal 22 strömen, und die Strömung von verbrannten Gasen durch den Auslasskanal 22 wird durch ein Auslassventil 24 gesteuert.
  • Der Motor 10 der vorliegenden Erfindung, wie er in 1A gezeigt ist, weist einen mechanischen, nockenbetätigten Ventiltrieb 26 auf, der das Öffnen und Schließen von sowohl dem Einlassventil 20 als auch dem Auslassventil 24 steuert. Der Ventiltrieb 26 ist an der Position des Motors 10 festgemacht, die von einem Rotationssensor 28 gemessen wird. Der Rotationssensor 28 ist mit einer Kurbelwelle 30 des Verbrennungsmotors 10 verbunden. Die Kurbelwelle 30 ist durch eine Pleuelstange 32 mit dem Kolben 12, der sich in dem Zylinder 14 hin- und herbewegt, verbunden.
  • Eine Benzindirekteinspritzvorrichtung 34, die von einem elektronischen Controller gesteuert oder geregelt wird, wird dazu verwendet, Kraftstoff direkt in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Die vorliegende Erfindung ist gegenüber der Lage der Spitze der Einspritzvorrichtung unempfindlich. Eine Zündkerze 36, die ebenfalls von einem elektronischen Controller gesteuert oder geregelt wird, wird dazu verwendet, die Zündzeitpunktsteuerung oder -regelung des Motors 10 über den Motorlastbereich zu erweitern. Obgleich der oben gezeigte einfache Motor 10 keine Zündkerze 36 für den Betrieb unter einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung erfordert, hat es sich als wünschenswert erwiesen, eine Zündkerze zu verwenden, um den Selbstzündungsprozess zu ergänzen, insbesondere unter Startbedingungen. Es hat sich auch als wünschenswert erwiesen, auf einer Selbstzündung nur unter Teillast/Niedergeschwindigkeits-Betriebsbedingungen zu gründen und eine Fremdzündung während Hochlast/Hochgeschwindigkeits-Betriebsbedingungen zu verwenden.
  • 1A zeigt auch ein Strömungssteuerventil 38 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. Es ist im Inneren eines Zweiges der Einlassleitungen 18 für einen Motor mit zwei Einlassventilen pro Zylinder angeordnet (siehe 1B). Ein vorhandenes Drallsteuerventil (SCV), das früher für eine Luftbewegungssteuerung im Zylinder in einem Fremdzündungsmotor mit geschichteter Ladung und Benzindirekteinspritzung verwendet wurde, wird hierin als Beispiel verwendet, um die Effektivität der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Ein Schließen des Strömungssteuerventils 38 stellt beispielhaft eine Reservoirkammer innerhalb des Einlasskanals 18 zwischen dem Strömungssteuerventil 38 und dem Einlassventil 20 bereit.
  • Die Steuerung oder Regelung der Bewegung des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 gemäß einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie (exhaust rebreathing valve strategy) ist in 2 für einen Viertaktmotor 10 mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung unter Verwendung eines mechanischen, nockenbetätigten Ventilsystems dargestellt. In der Figur wird das Auslassventil 24 während 720 Grad Rotation der Kurbelwelle 30, d.h. eines Motorzyklus, zwei Mal geöffnet. Während des ersten Öffnungszeit raums werden verbrannte Gase aus der Brennkammer 16 in den Auslasskanal 22 ausgestoßen. Während des zweiten Öffnungszeitraums, werden zuvor ausgestoßene verbrannte Gase aus dem Auslasskanal 22 zurück in die Brennkammer 16 zu der gleichen Zeit eingesaugt, wie eine Luft- oder Kraftstoff/Luft-Ladung durch den Einlasskanal 18 in die Brennkammer 16 gesaugt wird. Somit wird ein Vermischen von verbrannten Gasen und einer Luft- oder Kraftstoff/Luft-Ladung erreicht und die richtigen Bedingungen für eine Selbstzündung werden gefördert.
  • Eine Selbstzündung des Gemisches aus verbrannten Gasen, Luft und entweder vorgemischtem oder direkt eingespritztem Kraftstoff tritt nach einer Verdichtung des Gemisches während des Verdichtungstaktes auf. Die Verbrennung des Gemisches bewirkt dann, dass sich die Gase in dem Arbeitstakt ausdehnen. Dann beginnt der Viertaktzyklus erneut. Im Besonderen für die untersuchten Motorbetriebsbedingungen wird das Auslassventil 24 das erste Mal während eines Motorzyklus bei grob 60 Grad vor dem unteren Totpunkt am Ende des Expansionstaktes geöffnet. Das Auslassventil 24 wird dann das erste Mal in der Nähe des Endes des Ausstoßtaktes geschlossen. Das Einlassventil 20 wird vor dem Ende des Ausstoßtaktes geöffnet, und das Auslassventil 24 wird etwa 30 Grad nach dem Ende des Ausstoßtaktes wieder geöffnet. Das Auslassventil 24 wird nahe des Endes des Ansaugtaktes wieder geschlossen, während das Einlassventil 20 ungefähr 60 Grad nach dem Ende des Ansaugtaktes geschlossen wird.
  • 3 zeigt Schwankungen in der Wärmefreigaberate als Funktion einer Strömungssteuerventileinstellung unter Verwendung einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20 für einen vollständig vorgemischten Motorbetrieb. Es wird aus der Figur deutlich, dass die Wärmefreigaberate gegenüber Strömungssteuerventil einstellungen empfindlich ist. Im Besonderen wird das Einsetzen der Zündung stärker verzögert und die Brenndauer wird stark erhöht, wenn das Strömungssteuerventil 38 geschlossen ist.
  • Es wurden Hypothesen vorgeschlagen, hinsichtlich dessen, was eine spätere und langsamere Verbrennung hervorruft, wenn das Strömungssteuerventil geschlossen ist: 1) erhöhter Wärmeverlust aufgrund einer intensivierten Ladungsbewegung bei geschlossenem Strömungssteuerventil 38; und 2) Ladungsspeicherung in der SCV-Öffnung während des Verdichtungstaktes und einer nachfolgenden Wiederansaugung in den Zylinder während des Ansaugtaktes des nächsten Zyklus.
  • Wie es in den 4A und 4B gezeigt ist, wurden zwei Hardware-Konfigurationen untersucht, um sich diesem Problem zu widmen. 4A zeigt eine Konfiguration mit Öffnungsdeaktivierung, die durch Schließen des Strömungssteuerventils 38 erreicht wird; und 4B zeigt eine Ventildeaktivierungskonfiguration, die durch Entfernen des Schlepp- oder Schwinghebels des Einlassventils 20, der die Kommunikation mit der SCV-Öffnung steuert, erreicht wird.
  • 5 zeigt Schwankungen in der Wärmefreigaberate für die in den 4A und 4B gezeigten Konfigurationen mit zwei Einlässen zusammen mit dem Fall SCV offen für sowohl einen vollständig vorgemischten Motorbetrieb als auch eine Motorbetrieb mit Direkteinspritzung bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20. Das Folgende wird aus der Figur deutlich. 1) Die Brennraten sind zwischen dem Fall mit dem offenen Strömungssteuerventil 38 (SCV 90) und dem Fall mit einem deaktivierten Einlassventil 20 identisch. Dieses Ergebnis beseitigt die erste Hypothese aus einer weiteren Erwägung, da die Ladungsbewegung in einem Zylinder stark zwischen den Konfigurationen mit zwei Einlässen schwankt. 2) Die Tatsa che, dass die Brennraten zwischen einer Öffnungsdeaktivierung (SCV 20) und einem deaktivierten Einlassventil 20 sehr unterschiedlich sind, weist in Richtung eines Ladungsspeichereffektes in den SCV-Kanal. Um diesen Ladungsspeichereffekt in der Einlassöffnung vollständig zu verstehen, wurde ein Programm für eine eindimensionale Simulation der Gasdynamik eines Motorzyklus dazu verwendet, Strömungen in und aus den Motorzylindern zu berechnen.
  • 6 zeigt Schwankungen in dem gemessenen Zylinderdruck während des Gasaustauschzeitraums für die in den 4A und 4B gezeigten Konfigurationen mit zwei Einlässen für sowohl einen vollständig vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20. Diese Daten wurden für die Validierung des eindimensionalen Gasdynamikmodells verwendet.
  • 7 zeigt Schwankungen im gemessenen (experimentell) und berechneten (eindimensionale Modellierung) Zylinderdruck während des Gasaustauschzeitraumsfür die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für sowohl einen vollständig vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20. Es wird aus der Figur deutlich, dass eine Übereinstimmung zwischen den gemessenen Zylinderdrücken und den aus dem eindimensionalen Gasdynamikmodell berechneten Zylinderdrücken äußerst gut ist.
  • 8 zeigt die berechnete Gasgeschwindigkeit (eindimensionale Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile 20 während des Gasaustauschzeitraums für die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusam men mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
  • 9 zeigt die berechnete Restströmungsrate (eindimensionale Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile 20 während des Gasaustauschzeitraums für die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
  • 10 zeigt einen berechneten Massenrestbruchteil (eindimensionale Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlasskanälen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile 20 während des Gasaustauschzeitraumsfür die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
  • 11 zeigt die berechnete Gastemperatur (eindimensionale Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile 20 während des Gasaustauschzeitraums für die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen für Motorbetriebe bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
  • Ergebnisse der eindimensionalen Modellierung, die in den 811 präsentiert sind, zeigen das folgende: 1) Die Ladung, die in der SCV-Öffnung eingefangen wurde, hat einen durchschnittlichen Restmassenbruchteil von etwa 38 % (linker Graph in 10). 2) Nach dem Einlassventilöffnen strömt diese eingefangene Ladung aus der SCV-Öffnung in die Brennkammer (linker Graph von 9). 3) Die Temperatur dieser eingefangenen Ladung liegt zwischen 390 und 440 Grad K (linker Graph von 11). Dies ist etwa 300 Grad K niedriger als die Gastemperatur in der Auslassöffnung (wie es in 11 angemerkt ist). 4) Wenn das Auslassventil 24 etwa 390 Grad nach dem oberen Totpunkt des Verbrennungstaktes wieder geöffnet wird, wird der SCV-Kanal wieder mit heißerem Gas aus dem Zylinder 14 und der Auslassöffnung geladen. Dieses Speichern und dieser Austrag von Restgas in den SCV-Kanal führte zu einer Gesamtreduktion der mittleren Ladungstemperatur im Zylinder zum Zeitpunkt des Einlassventilschließens im Vergleich mit den Fällen mit offenem SCV und einem deaktivierten Einlassventil 20. Dies bewirkt einen verzögerten Zündzeitpunkt, der in 3 für den Fall mit geschlossenem SCV gezeigt ist.
  • 12 zeigt das gemessene Verbrennungsleistungsvermögen als eine Funktion der Kraftstoffbeaufschlagungsrate für zwei SCV-Einstellungen (36 gegenüber 20 Grad) bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung. Wenn die SCV-Einstellung auf 36 Grad festgelegt ist, nehmen sowohl der Spitzendruck als auch die maximale Druckanstiegsrate mit zunehmender Kraftstoffbeaufschlagungsrate zu (obere Kurven von 12). Bei einer Kraftstoffbeaufschlagungsrate von 13,75 mg/Zyklus entspricht dies einer Last von 450 kPa NMEP, und die maximale Druckeinstiegsrate erreicht die Grenze von 50 bar/ms. Durch Schließen des SCV-Ventils werden sowohl der Spitzendruck als auch die maximale Druckanstiegsrate stark vermindert. Die Kurbelwinkellage des Spitzendrucks wird ebenfalls verzögert. Dies lässt das Hinzufügen von zusätzlichen 0,65 mg Kraftstoff (etwa 25 kPa NMEP Last) zu dem Motor 10 zu, bevor die maximale Druckanstiegsratengrenze wieder überschritten wird. Diese Mittellast-Betriebsgrenze wird dadurch um etwa 5 Prozent ausgedehnt.
  • 13 zeigt Schwankungen in der Wärmefreigaberate als eine Funktion der Strömungssteuerventileinstellung und Kraftstoffbeaufschlagungsrate bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung. Die Figur stellt darüber hinaus die Auswirkungen der Strömungssteuerventileinstellung und Kraftstoffbeaufschlagungsrate auf die Verbrennungsrate bei gesteuerter Selbstzündung dar.
  • Die vorliegende Erfindung passt ebenso gut bei anderen Motordrehzahlen und Ventilstrategien, obwohl die Effektivität der Öffnungsdrosselung auf die Restgaswärmeabstoßung und somit die HCCI-Verbrennung variieren kann. Im Besonderen sollte die vorliegende Erfindung bei niedrigerer Motordrehzahl aufgrund der längeren verfügbaren Zeit für die Wärmedissipation effektiver sein. Darüber hinaus kann jede Ventilstrategie, die sich selbst für die Verwendung der SCV-Öffnung zur Speicherung und Freigabe von Restgas eignet, Nutzen aus der vorliegenden Erfindung für eine Mittellasterweiterung ziehen.
  • Die vorliegende Erfindung kann ausgedehnt werden, so dass sie ein aktives thermisches Management in sowohl den Einlass- als auch Auslassöffnungen umfasst. Beispielsweise können Kühlmittelkanäle in dem Kopf derart entworfen werden, dass die Wandungstemperaturen von sowohl den SCV- als auch Auslassöffnungen gesteuert werden. Dies wird beim Regeln der Temperatur des rückgeführten verbrannten Gases für die HCCI-Verbrennung insbesondere im Mittellastbereich helfen.
  • Die vorliegende Erfindung ist gleichermaßen gut auf Verbrennungsmotoren mit sowohl Vormischung als auch Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung anwendbar, wie es in den obigen Ausführungsformen demonstriert wurde.
  • Obgleich das Einlassventil 20 und das Auslassventil 24 in den obigen Ausführungsformen mechanisch betätigt sind, könnten sie elektrohydraulisch oder elektrisch unter Verwendung einer elektromagnetischen Kraft betätigt sein.
  • Obwohl die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es einzusehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Gedankens und Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts vorgenommen werden könnten. Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt sein, sondern soll den vollen Schutzumfang haben, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche zugelassen wird.
  • Zusammenfassung
  • Es ist ein Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches eines Viertaktmotors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung offenbart. Der Motor umfasst mindestens einen Zylinder, der einen Kolben enthält, der hin- und herbewegbar mit einer Kurbelwelle verbunden ist und eine Brennkammer mit variablem Volumen bildet, und der ein Einlassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Lufteinlass steuert, und ein Auslassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Abgasauslass steuert. Es wird ein System angewandt, um die Einlass- und Auslassventile variabel zu betätigen. Das Ventilbetätigungssystem ist anwendbar, um die Einlass- und Auslassventile mit einer Abgasrückverdichtungs- oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie zu betreiben. Eine Reservoirkammer in Verbindung mit der Brennkammer ist für ein temporäres Halten von restlichem verbrannten Gas vorgesehen. Restliches verbranntes Gas in der Brennkammer und dem Abgasauslass tritt in die Reservoirkammer ein und verliert dann Wärmeenergie, während es sich in der Reservoirkammer befindet, bevor es zurück in die Brennkammer gesaugt wird.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches eines Viertaktmotors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung, der mindestens einen Zylinder mit direkter Kraftstoffeinspritzung aufweist, der einen Kolben enthält, der hin- und herbeweglich mit einer Kurbelwelle verbunden ist und eine Brennkammer mit variablem Volumen bildet, und der ein Einlassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Lufteinlass steuert, und ein Auslassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Abgasauslass steuert, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein variables Ventilbetätigungssystem angewandt wird, um die Einlass- und Auslassventile variabel zu betätigen, wobei das Ventilbetätigungssystem in der Lage ist, die Einlass- und Auslassventile mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie und einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie zu betreiben; und eine Reservoirkammer in Verbindung mit der Brennkammer bereitgestellt wird, um das restliche verbrannte Gas temporär zu halten; wobei restliches verbranntes Gas in der Brennkammer und dem Abgasauslass in die Reservoirkammer eintritt und dann Wärmeenergie verliert, während es sich in der Reservoirkammer befindet, bevor es zurück in die Brennkammer gesaugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reservoirkammer ein Teil des Lufteinlasses ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt umfasst, dass: die Speicherung und der Austrag von restlichem verbranntem Gas in der Reservoirkammer während der Verbrennungszyklen des Motors bewirkt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt umfasst, dass: ein aktives thermisches Management für sowohl die Reservoirkammer als auch die Auslassöffnung bereitgestellt wird.
  5. Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches eines Viertakt-Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung, der mindestens einen Zylinder mit direkter Kraftstoffeinspritzung aufweist, der einen Kolben enthält, der hin- und herbewegbar mit einer Kurbelwelle verbunden ist und eine Brennkammer mit variablem Volumen definiert, und der zwei Einlassventile umfasst, die die Kommunikation mit einem Lufteinlass, der zwei Einlasskanäle aufweist, steuern, wobei jedes Einlassventil die Kommunikation mit einem der Einlasskanäle steuert, und ein Auslassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Abgasauslass steuert, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein variables Ventilbetätigungssystem angewandt wird, um die Einlass- und Auslassventile variabel zu betätigen, wobei das Ventilbetätigungssystem in der Lage ist, die Einlass- und Auslassventile mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie und einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie zu betreiben; und ein Strömungssteuerventil in einem der Einlasskanäle des Lufteinlasses jedes Zylinders bereitgestellt wird; und das Strömungssteuerventil in eine vollständig geschlossene Position eingestellt wird; wobei das Einstellen des Strömungssteuerventils in eine vollständig geschlossene Position eine Reservoirkammer schafft, die durch das Strömungssteuerventil und den Einlasskanal und das Einlassventil gebildet wird, wobei die Reservoirkammer als eine temporäre Kühlkammer für restliches verbranntes Gas fungiert, das in der Brennkammer und dem Abgasauslass vorhanden ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das den Schritt umfasst, dass: die Temperatur der Reservoirkammerwandung gesteuert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, das den Schritt umfasst, dass die Temperatur der Abgasauslasswandung gesteuert wird.
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