DE19944534C2 - Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung.

Als Verbrennungsmotor wird eine Maschine verstanden, die in einer Anzahl veränderlicher Volumina Gemische aus Luft und Kraftstoff verbrennt und die freigesetzte thermische Ener­ gie über den entstehenden Gasdruck in den Volumina in me­ chanische Energie umsetzt. Die Gemische werden durch Di­ rekteinspritzung des Kraftstoffs innerhalb der als Brenn­ räume fungierenden Volumina gebildet.

Die Verbrennung wird zumindest im Leerlauf und bei Teillast durch Kompressionszündung eingeleitet. Diese bietet bei ma­ geren Gemischen ein gutes Potential, Luft/Kraftstoff-Gemi­ sche bei gutem Wirkungsgrad und ohne Stickoxidbildung zu verbrennen. Die Kompressionszündung kann bei motorisch üb­ lichen Verdichtungen nur mit Abgasrückhaltung und Abgasak­ tivierung betrieben werden. Dabei bedeutet Abgasaktivierung eine Aktivierungseinspritzung von Kraftstoff in heißes, komprimiertes und sauerstoffhaltiges Abgas. Eine solche Zündung und Verbrennung kann nur in einem schmalen Teil­ last-Kennfeldbereich stabil verwirklicht werden. Für höhere Motorlasten ist eine ottomotorische Zündung und Verbrennung erforderlich.

Der instationäre Betrieb eines Verbrennungsmotors erfordert eine schnelle Regelbarkeit der Motorlast und einen schnel­ len Übergang zwischen den beiden Betriebsarten. Der direk­ te, wechselseitige Übergang zwischen der ottomotorischen Zündung und der Verbrennung energiereicher stöchiometri­ scher Gemische und der Kompressionszündung magerer Gemische stellt eine starke Änderung der thermischen und gasdynami­ schen Zustände im Motor dar.

Die Kompressionszündung erfolgt über eine Temperaturerhö­ hung des Luft/Kraftstoff-Gemisches. Die Temperaturerhöhung des Frischgemisches wird durch Mischen mit den Abgasantei­ len des vorhergehenden Zyklus und durch die sich anschlie­ ßende geometrische Kompression des abgeschlossenen, maxima­ len Ausgangsvolumens auf ein verbleibendes Restvolumen be­ wirkt. In dem verbleibenden komprimierten Restvolumen stellt sich eine Temperatur ein, die das Gemisch zur Ent­ zündung bringt. Der Verbrennungsprozeß, der sich an die Kompressionszündung magerer Gemische anschließt, ist auf­ grund der freigesetzten Energie ein selbsterhaltender bzw. selbstverstärkender Prozeß. Die Einleitung und Regelung dieser Verbrennung kann durch variable Verdichtung mittels variierbarem Einlaßschluß oder über variierbarer Abgasrück­ haltung mit Aktivierungseinspritzung erfolgen. Eine klopf­ freie Laststeigerung kann über Verdampfungskühlung durch spät eingespritzten Kraftstoff verwirklicht werden.

Die Verbrennung des mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist abhängig vom Anteil der Brennraummasse an rückgehaltenem Abgas mit dem Luftüberschuß aus dem vorangegangenen Zyklus sowie der zugeführten Frischluft sowie dem direkt in den Brennraum eingebrachten Kraftstoff. Die jeweilige Zusammen­ setzung des Gemisches beeinflußt den Beginn und damit den Verlauf der Energiefreisetzung. Ein hoher Anteil rückgehal­ tenen Abgases beeinflußt den nachfolgenden Zyklus. Eine Vorsteuerung der Verbrennung ist durch die gezielte Einspritzung im Rahmen der Aktivierung möglich.

Dazu wird der Kraftstoff in das im Brennraum rückgehaltene Abgas eingespritzt, wodurch eine vorwiegend endotherme Vorreaktion des zugeführten Kraftstoffs mittels Abgaswärme und heißer Restluft herbeigeführt wird, die die nachfolgend komprimierte, vollständige Ladung bei der Einleitung der exothermen Reaktion beeinflußt.

Aus der DE 28 51 504 C2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und variablem Verdichtungsverhältnis bekannt, mit dem der Motor im Teillastverfahren selbstgezündet und im hohen Lastbereich fremdgezündet wird. Dabei wird im Teillastbereich das geometrische Verdichtungsverhältnis des Arbeitsvolumens vergrößert, so dass das Luft-Kraftstoffgemisch selbstzündet, wobei der Motor im Vollastbereich bei vermindertem Verdichtungsverhältnis mit Fremdzündung betrieben wird.

Die DE 198 10 935 C2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer 4-Takt-Brennkraftmaschine, welche mit einem homogenen, mageren Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas sowie mit einer Kompressionszuendung betrieben wird. In einer Aktivierungsphase wird das zurückgehaltene Abgas im Bereich des Ladungswechseltotpunkts komprimiert und anschließend expandiert, so dass in dieser Phase des Arbeitszyklusses Aktivierungskraftstoff zur Stabilisierung der Hauptverbrennung in den Brennraum eingespritzt wird. Dabei wird eine Aktivierungskraftstoffmenge in das Luftabgasgemisch eingespritzt und mit den restlichen Luftanteilen im Brennraum möglichst homogen verteilt. Durch eine vollständige Verbrennung des Aktivierungskraftstoffs wird die thermische Energie des verbliebenen Abgases zur Sicherung der Zündung im nächsten Zyklus erhöht. Ist die Verbrennung unvollständig, so wird zumindest die chemische Aktivität der zurückgehaltenen Abgasmenge erhöht, ohne dabei die Temperatur deutlich anzuheben, wobei durch die Aktivierung des zurückgehaltenen Abgases durch eine geringere Masse desselben eine größere Frischladungsmasse entzündet werden kann.

Aus der DE 197 04 640 ist eine Verfahren zum Betreiben einer flammgezündeten Brennkraftmaschine bekannt, welche mit einem Hauptkraftstoff und einem weiteren entflammbaren Zuendkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Hauptkraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt, um zunächst eine definierte Ladungsschichtung zu erreichen. Die Einspritzung erfolgt bevorzugt gleichzeitig mit dem Zündkraftstoff, wobei der Zündkraftstoff stark erhitzt und in dampfförmigem Zustand eingeblasen wird. Die dazu verwendete Düse weist Düsenöffnungen auf, die ein definiertes Flammfeld bzw. Zündfeld ergeben, so dass sich bevorzugt mit dem Einspritzstrahl des Hauptkraftstoffes kreuzt. Damit soll eine sichere, sta­ bile und vollständige Verbrennung des Hauptkraftstoffes selbst bei extrem mageren Kraft­ stoff-Luftgemischen erreicht werden

Die DE 30 11 580 C2 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der eine Dosierung der zurückge­ führten Abgasmengen erfolgt. Vorgesehen ist eine Einrichtung mit einer Abgasrückführlei­ tung, die stromaufwärts des Brennraumeinlassventils in den diesem zugeordneten Ansaugka­ nal führt und eine Drosseleinrichtung zur Veränderung des Querschnitts der Abgasrückführlei­ tung sowie ein synchron zur Kurbelwellendrehung der Brennkraftmaschine gesteuertes Durchlasssteuerorgan enthält. Das Durchlasssteuerorgan wird derart gesteuert, dass die Ver­ bindung zum Ansaugkanal nur innerhalb des Zeitraumes geöffnet ist, in dem das Einlassventil geschlossen ist.

In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 198 18 596.0 ist ein gattungsgemäßer Verbrennungsmotor beschrieben, in dem das für die motorische Realisation der Kompres­ sionszündung angestrebte mechanische Konzept dargestellt ist. Die notwendige Abgasrück­ haltung wird durch eine mechanische Vorsteuerung einer binär umschaltbaren Nockenwelle verwirklicht, deren umgeschaltete Nockenform zu verkürzten Ventilsteuerzeiten (Ventilunter­ schneidung) und damit zur Kompression des rückgehaltenen Abgases führt. Die Menge des Abgases wird über eine Abgasstauklappe, die nach den Auslaßorganen angeordnet ist, ge­ steuert. Diese regelt über den Staudruck und die daraus resultierende Druckdifferenz zum Brennraum die rückgehaltene Abgasmenge.

Weiterhin sind eine Aktivierungseinspritzung in das rückgehaltene Abgas und eine Fremdzün­ dung für den Vollastbetrieb mit stöchiometrischem Gemisch vorgesehen.

Stöchiometrische Gemische werden bei Ventilsteuerzeiten ohne Abgasrückhaltung, ottomoto­ risch gezündet und verbrannt. Die Lastregelung findet dabei über eine Drosselung des stöchi­ ometrischen Gemischmassenstroms statt. Bei der Verbrennung eines stöchiometrischen Ge­ misches weist das Abgas eine hohe Temperatur auf. Der Wirkungsgrad des Motors mit Drosselregelung leidet unter den drosselinduzierten Verlu­ sten.

Der Übergangsbereich zwischen Kompressions- und Fremdzün­ dung ist der mittlere Lastbereich mit Drosselregelung. Bei ottomotorischem Betrieb wird die Motorlast über die Ge­ mischmenge mit der Einlaßdrosselklappe gesteuert und bei Kompressionszündung über die Abgasmenge mit der Abgasstau­ klappe, da diese die rückgehaltene Abgasmenge und damit die ansaugbare Menge der Frischladung bestimmt.

Die ottomotorische Verbrennung toleriert einen nur einge­ schränkten Abgasanteil im Luft/Kraftstoff-Gemisch. Ein ot­ tomotorischer Betrieb bei der Nockenwellenstellung für Ab­ gasrückhaltung ist nicht möglich. Andererseits ist ein Be­ trieb mit Kompressionszündung magerer Gemische bei ottomo­ torischer Verdichtung ohne Abgasrückhaltung ebenfalls nicht möglich. Die vorgesehene Abgasstauklappe kann in diesem Fall allein nicht ausreichend Abgas entsprechender Tempera­ tur und Aktivierung bereitstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Ver­ brennungsmotor ein gattungsgemäßes Verfahren zur wirkungs­ gradoptimalen Beeinflussung von Beginn und Verlauf der Ver­ brennung in dessen gesamten Betriebsbereich anzugeben.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Steuerung der Reaktionseinleitung durch Einstellung von Temperatur und Konzentration mit Hilfe einer einstell­ baren Verdichtung oder Vorwärmung der angesaugten Frischla­ dung im Kompressionsvolumen ist aufwendig. Die erforderli­ che Temperatur und Konzentration chemisch aktiver Komponen­ ten im Gemisch kann auch durch eine gesteuerte Verbrennung eines Zündkraftstoffes bewirkt werden. Der Zündkraftstoff ist leichter entzündlich als der Hauptkraftstoff, somit be­ ginnt die Energiefreisetzung bereits bei niedrigerer zuge­ führter Energiemenge, denn der Zündkraftstoff zündet bzw. brennt bereits vor dem Hauptkraftstoff. Als Zündkraftstoff kann ein niedrigoktaniger Kraftstoff (n-Heptan) dienen, als Hauptkraftstoff ein hochoktaniger Kraftstoff (Superbenzin, iso-Oktan). Die Bereitstellung der beiden Kraftstoffe kann durch Trennung eines Ausgangskraftstoffes in einen Zünd- und einen Hauptkraftstoff während des Aggregatbetriebes er­ folgen, oder durch zwei getrennte Bevorratungssysteme. Die Trennung der Kraftstoffe während des Betriebes kann bei­ spielsweise durch thermische (Destillation), chemische oder elektrolytische Trennungsprozesse erfolgen.

Technisch können die zwei verschiedenen Kraftstoffe bei di­ rekteinspritzenden Verbrennungsmotoren in flüssiger Form vor dem Gemischbildungssystem oder in flüssiger oder gas­ förmiger Form nach den Zumeßeinheiten innerhalb des Brenn­ raumes zusammengeführt werden. Für die Steuerung der Ener­ giefreisetzung können die unterschiedlichen Eigenschaften des Zünd- und des Hauptkraftstoffes gezielt eingesetzt wer­ den.

Hinsichtlich der Abgasrückhaltung kann der Zündkraftstoff den thermischen und reaktionskinetischen Zustand des im Brennraum zurückgehaltenen Abgases aufgrund seiner leichten Entzündlichkeit schneller und auch genauer einstellen und damit das vorgegebene Verhalten der Verbrennung schneller regeln.

Die Verbrennung kann durch die verschiedenen Zünd- und Ge­ mischbildungseigenschaften der zugeführten Kraftstoffe be­ einflußt werden, dies entspricht dem Prinzip der Schichtla­ dung. Bei zunehmender Menge und früherem Zeitpunkt der Zumessung des leichtflüchtigen Zündkraftstoffes wird die Re­ aktionsintensität im Brennraum erhöht. Dadurch kann eine verzögerte Reaktionseinleitung des Gesamtprozesses wegen der angestrebten lokalen Abkühlung zum Zwecke einer Entzer­ rung der Energiefreisetzung über eine später oder aufge­ teilte Zuführung des Hauptkraftstoffes kompensiert werden. Je früher die Zündeinspritzung gewählt wird, desto früher wird Energie im Brennraum freigesetzt. Diese frühe Energie­ freisetzung ermöglicht eine stärkere Entzerrung der Ver­ brennung durch einen sehr späten Einspritzzeitpunkt des Hauptkraftstoffs bei gleichem Reaktionsbeginn desselben. Die Aufteilung der Einspritzmenge und die Spreizung der Einspritzzeitpunkte wird von den Eigenschaften der Gemisch­ bildner, der Ladungsbewegung im Brennraum und der Bildung von Schwarzrauch durch späte Einspritzung des Hauptkraft­ stoffes in heißes Brennraumgas begrenzt.

Für zwei unterschiedliche Einspritzsysteme kann die Wirkung der Aktivierung durch Einspritzung von Zündkraftstoff in das zurückgehaltene und komprimierte Abgas mit Heißluft verstärkt werden. Der leichtflüchtige und schnellentzündli­ che Zündkraftstoff erhöht die thermischen und reaktionski­ netischen Bedingungen im Brennraum erheblich schneller und ermöglicht somit die Reduktion der rückgehaltenen Abgas­ menge oder deren geometrische Grundverdichtung, da weniger Temperatur und Verdichtung für die reaktionskinetische Auf­ bereitung des rückgehaltenen Abgases benötigt werden. Der Hauptkraftstoff kann direkt in den Brennraum eingebracht oder gemeinsam mit der Ansaugluft dem Brennraum zugeführt werden.

Die gleichzeitige Verwendung von leicht- und schwerentzünd­ lichen Kraftstoffen vereinfacht die instationäre Steuerung und Regelung eines Mehrzylindermotors mit Kompressionszün­ dung. Die auftretenden Differenzen der Zylinderladung, der Abgasrückstauung und der Temperaturverteilung in den ein­ zelnen Zylindern können über die Erhöhung des Anteils am Zündkraftstoff für die Zylinder mit schlechteren Bedingun­ gen der Reaktionseinleitung kompensiert werden. Durch die unterschiedliche Aufteilung der Kraftstoffe auf die einzel­ nen Zylinder kann deren ungleichmäßige Energiefreisetzung kompensiert werden. Der Übergang zwischen ottomotorischer Zündung stöchiometrischer Gemische und Kompressionszündung magerer Gemische kann mit der Verfügbarkeit zweier Kraft­ stoffe verbessert werden. Die Kompressionszündung nach ot­ tomotorischem Betrieb wird durch den Einsatz eines Zünd­ kraftstoffes begünstigt.

Nach erfolgtem Übergang auf Kompressionszündung kann die Kraftstoffzusammensetzung während des Betriebes geändert und auf die angestrebte Betriebsart eingestellt werden. Für den Übergang von Kompressions- auf Fremdzündung kann mit dem Einsatz von schwererentzündlichem Hauptkraftstoff al­ lein die Klopfneigung auch bei eventuell noch erhöhter Ab­ gasmenge im Brennraum verringert werden. Für alle Einsatz­ fälle gilt, daß eine Steuerlogik vorgesehen ist, die über geeignete Sensoren (z. B. Drehmomentsensor, akustischer Sensor, Zylinderdrucksensor) die Verbrennungsqualität ana­ lysiert und die Kraftstoffaufteilung wirkungsgradoptimal (optimale Verbrennungslage) regelt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Verbrennungsmotor mit vier Brennräumen und zwei Zumeßeinheiten pro Brennraum in schematischer Darstellung

Fig. 2 diverse Brennraumdruckdiagramme für unterschiedliche Zündkraftstoffmengen.

Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder­ block 1, in dem vier Brennräume 2 angeordnet sind. In jeden Brennraum 2 münden eine erste Zumeßeinheit 3 für Zündkraft­ stoff und eine zweite Zumeßeinheit 4 für Hauptkraftstoff. Beide Zumeßeinheiten 3, 4 werden durch eine Einspritzsteu­ ereinheit 5 gesteuert. Diese Einspritzsteuereinheit 5 ist mit einer Elektronik 6 verbunden, die eine Drehmomentbeur­ teilung durchführt und entsprechende Daten an die Ein­ spritzsteuereinheit 5 liefert. Die Elektronik 6 wiederum steht in Verbindung mit einem Drehzahlgeber 7, der im Um­ fangsbereich eines Schwungrads 8 angeordnet ist.

In Fig. 2 sind diverse Brennraumdruckdiagramme mit in Rich­ tung des Pfeils ansteigendem Anteil des Zündkraftstoffs dargestellt. Bei konstantem Einspritzbeginn liegt mit wach­ sendem Anteil des Zündkraftstoffs der Beginn der Verbren­ nung immer früher und der Spitzendruck immer höher. Fig. 2 zeigt die Formbarkeit des Brennraumdruckdiagramms durch den Zündkraftstoff.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors, bei dem

• - Kraftstoff in mindestens einen Brennraum, dessen Volumen sich zyklisch ändert, direkt eingespritzt wird,
• - Frischgas durch mindestens ein Einlassorgan und Verbrennungsabgase durch mindestens ein Auslassorgan zu- bzw. abgeführt wird,
• - bei Leerlauf und im Bereich der unteren bzw. mittleren Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und rückgehaltenem Abgas gebildet und durch Kompressionszündung gezündet wird, und
• - bei hoher Teillast und Vollast ein homogenes, stöchiometrisches Gemisch gebildet und fremdgezündet wird, wobei
• - eine Abgasrückhaltung durch schaltbare Ventilunterschneidung und durch Abgasstau mittels einer von motorlast- und drehzahlabhängigen, für alle Brennräume wirksamen Abgasdrosselklappe erfolgt, und
• - eine zylinderselektive und zykluskonsistente Aktivierungseinspritzung in das rückgehaltene Abgas erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, dass

• - der Verbrennungsmotor mit einem zündwilligen Zündkraftstoff und einem zündträgen Hauptkraftstoff, betrieben wird, und
• - die Einspritzzeiten und Einspritzmengen unter Berücksichtigung der jeweiligen Erfordernisse des Zweistoffbetriebs auf optimale Verbrennung hin abgestimmt werden, wobei
• - der zündwillige und der zündunwillige Kraftstoff während des Aggregatbetriebs aus einem Ausgangskraftstoff, vorzugsweise durch thermische, chemische oder elektrolytische Trennungsprozesse gewonnen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zündwilliger niedrigoktaniger Kraftstoff (z. B. n-Heptan) und als zündträger hochoktaniger Kraftstoff (z. B. iso-Oktan) Verwendung finden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kraftstoffe im flüssigen Zustand vor dem Gemischbildungssystem oder in flüssigem oder gasförmigen Zustand nach getrennten Zumessungseinheiten innerhalb des Brennraumes zusammengeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels geeigneter Sensoren die Werte für z. B. Drehmoment, Zylinderdruck, Zylinderwandschwingungen die Verbrennungsqualität ermittelt und in einer Steuerlogik analysiert werden und in Abhängigkeit berechneter Ausgangsgrössen die Aufteilung der beiden Kraftstoffe wirkungsgradoptimal geregelt wird.