DE19952096A1 - Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung - Google Patents
Brennkraftmaschine mit KompressionszündungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (2) mit Kompressionszündung, umfassend folgende Stellgrößen (y) liefernde Stellglieder (8) zur Steuerung eines mehrzyklischen motorischen Prozesses: variabel ansteuerbare Einlaß- und Auslaßventile, eine Einspritzanlage zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) zur Steuerung und Regelung des Verbrennungsprozesses. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, daß die variabel ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile und die Einspritzanlage durch die Steuer- und Regeleinrichtung (1) derart ansteuerbar sind, daß in Abhängigkeit der Regelgrößen (x) bildenden Größen Beginn und Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung während eines Zyklusses als Stellgrößen (y) ein bestimmtes Luftverhältnis lambda, eine bestimmte effektive Verdichtung, ein bestimmter Einspritzdruck, ein bestimmter Einspritzzeitpunkt und eine bestimmte Einspritzmenge zur Festlegung von Beginn und Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung oder Schwerpunkt der Verbrennung für den jeweils nächsten Zyklus erzeugbar sind.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit Kom
pressionszündung gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1, An
spruch 7 und Anspruch 10.
Eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ist aus der
Veröffentlichung "Compression Ratio Effect On Methane HCCI Com
bustion" von Aceves S., Smith R., Westbrook C. and Pitz W., Paper
No. 98-ICE-150, ASME 1998 bekannt. Bei einem dort beschriebenen
homogenen Verbrennungsprozeß der Brennkraftmaschine wird durch
eine dezentrale Aktivierung einer in einem Brennraum befindlichen La
dung mittels Kompression eine parallele Energiefreisetzung erzielt im
Gegensatz zu bisher üblichen Prozessen, bei welchen durch eine zen
trale Aktivierung mittels einer Zündquelle (Otto-Prozess) oder mittels
Einspritzung (Diesel-Prozess) eine serielle Verbrennung der Ladung
mit sich allmählich ausbreitender Flammenfront stattfindet. Die dezen
trale Aktivierung verleiht jedem Ladungselement genügend Aktivie
rungsenergie, um das Energiefreisetzungsniveau zu erreichen.
Besondere Vorteile bei der homogenen Verbrennung durch de
zentrale Aktivierung der Ladung ergeben sich aus der Möglichkeit, ex
trem magere Gemische im wesentlichen vollständig verbrennen zu
können, weshalb der Brennstoffverbrauch sinkt. Mit der Verbrennung
solcher extrem magerer Gemische gehen andererseits geringe Ver
brennungstemperaturen einher, welche meist unterhalb der Grenztem
peratur für die Bildung von Stickoxiden (NOx) liegen, so daß auch die
Stickoxid-Emissionen einer solchen Brennkraftmaschine zumindest bei
geringer Last niedrig sind.
Die Selbstzündung der Ladung innerhalb des Verbrennungspro
zesses erfordert jedoch ein bestimmtes Energie- und Temperaturni
veau der Ladung. Um die Temperatur im Brennraum auf das erforder
liche Aktivierungsniveau zu bringen, offenbart die Veröffentlichung
"The Knocking Syndrome - Its Cure and Its Potential" von J. Willand,
SAE-Paper 982483, eine Brennkraftmaschine mit einem Ventiltrieb zur
variablen Ansteuerung von Einlaß- und Auslaßventilen, um durch ge
eignete Ventilsteuerzeiten eine bestimmte Menge von heißem Abgas
des vorangehenden Zyklusses zur Mischung mit der frischen Ladung
des hierzu aktuellen Zyklusses im Brennraum zurückhalten zu können.
Demnach bildet die Menge und Temperatur bzw. die Energie des im
Brennraum verbleibenden Abgases eine wesentliche Stellgröße, durch
welche der Verbrennungsprozeß, insbesondere der Beginn und die
Dauer oder der Schwerpunkt der Umsetzung/Verbrennung der Ladung,
steuer- und regelbar ist.
Als weitere Möglichkeiten zur Prozeßsteuerung werden in der
bekannten Veröffentlichung das Vorheizen der Ansaugluft genannt, um
die Temperatur im Brennraum auf das erforderliche Maß anzuheben.
Demselben Zweck dient das Zünden einer im Brennraum angeordne
ten Zündkerze, um durch Initialzündung der Ladung deren Temperatur
und Dichte auf das für die anschließende Kompressionszündung er
forderliche Niveau zu erhöhen. Die Initialzündung erfolgt hierbei kurz
bevor die Ladung den für eine Kompressionszündung notwendigen
Selbstzündungszustand erreicht hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung der eingangs erwähn
ten Art zu schaffen, bei welcher eine Regelung bzw. Steuerung des
Verbrennungsprozesses im Hinblick auf einen niedrigeren Verbrauch
und geringere Schadstoffemissionen möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeich
nenden Teil der Ansprüche 1, 7 und 10 genannten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Kompressions
zündung gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, daß durch Änderung der
dort genannten Stellgrößen die Lage des Verbrennungsprozesses in
wirkungsgrad- bzw. verbrauchsoptimaler Weise einregel- bzw. einsteu
erbar ist. Regelgrößen sind dabei der Beginn und die Dauer der Um
setzung/Verbrennung der Ladung, welche außer auf verbrauchsopti
male auch auf schadstoffarme Verbrennungslagen eingeregelt werden
können, um Abgas-Emissionen zu reduzieren. Mit der erfindungsge
mäßen Regelung des Verbrennungsprozesses können darüber hinaus
eine unvollständige Verbrennung der Ladung, Aussetzer und extrem
steile Druckanstiege vermieden werden, was zu einer Minderung der
bei der Verbrennung entstehenden Geräusche führt und die mechani
sche Belastung des Motors senkt.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 7 erfolgt die
Fremdzündung zeitlich vor dem Auftreten der Selbstzündung, so daß
sich in der Folge eine Kombination aus üblicher Flammenfrontverbren
nung und einer sog. "Bulk Combustion", die auch als "Niedriglast-
Klopfen" bezeichnet wird, ergibt. Ausgehend von der Zündkerze breitet
sich die Flammenfront aus und verdichtet die Ladung zusätzlich zur
Kompression aufgrund der Kolbenbewegung bis die Selbstzündungs
bedingungen erreicht werden. Somit ergibt sich die Möglichkeit, durch
Fremdzündung die Lage der Verbrennung zu beeinflussen, gleichzeitig
bleiben die Vorteile der Kompressionszündung, wie z. B. niedrige Gas
temperatur, kurze Brenndauer etc., erhalten.
Da die Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10 mit einer λ-
Regelung und katalytischer Abgasnachbehandlung versehen ist, kön
nen auch strenge Abgas-Grenzwerte eingehalten werden, insbesonde
re bei höherer Last, wenn vermehrt Stickoxid im Abgas auftritt. Zweck
mäßig wird die λ-Regelung bei niedriger Last außer Kraft gesetzt, wenn
die Stickoxid-Emissionen ohnehin gering sind, und die Brennkraftma
schine mit magerem Luft-Brennstoff-Gemisch betrieben wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den Pa
tentansprüchen 1, 7 und 10 angegebenen Erfindung möglich.
Eine besonders zu bevorzugende Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, daß die variabel ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile
durch die Steuer- und Regeleinrichtung derart ansteuerbar sind, daß in
Abhängigkeit der Regelgrößen bildenden Größen Beginn und Dauer
der Umsetzung/Verbrennung der Ladung während eines Zyklusses als
zusätzliche Stellgröße eine bestimmte Menge von Abgas im Brennraum
rückhaltbar oder dorthin rückführbar und dementsprechend eine be
stimmte Temperatur des rückgehaltenen oder rückgeführten Abgases
erzielbar ist, zur Festlegung von Beginn und Dauer der Umset
zung/Verbrennung der Ladung für den jeweils nächsten Zyklus.
Der motorische Prozeß ist vorzugsweise ein Viertakt-Prozeß
und wenigstens ein Einlaßventil und ein Auslaßventil der variabel an
steuerbaren Einlaß- und Auslaßventile einer Zylinder-Kolbeneinheit
sind durch die Steuer- und Regeleinrichtung derart ansteuerbar, daß
das Auslaßventil-Öffnen vor einer zwischen einem Ausstoß- und einem
Ansaugtakt liegenden oberen Ladungswechsel-Totpunktlage eines
Kolbens und das Auslaßventil-Schließen nach dieser oberen Ladungs
wechsel-Totpunktlage im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einlaßven
til-Öffnen stattfinden, um Abgas von einem Brennraum der Zylinder-
Kolbeneinheit durch das geöffnete Auslaßventil in einen Auslaßkanal
zu schieben und danach vom Auslaßkanal wieder in den Brennraum
zurückzusaugen. Da der wiederverwendete Restgasanteil nicht aus
dem Auslaßkanal ausgespült wird, wird auf diese Weise eine sog. "in
nere Abgasrückführung" realisiert.
Bekannte Methoden zur inneren Abgasrückführung, bei welchen
z. B. das Auslaßventil früh geschlossen und der hierdurch zurückgehal
tene Abgasrest anschließend verdichtet wird, haben den Nachteil, daß
zwischen dem heißen Abgas und der demgegenüber relativ kalten Zy
linderwand ein Wärmeübergang stattfindet und somit die Temperatur
des Abgases in unerwünschter Weise sinkt. Bei Lösungen mit großer
Ventilüberschneidung zur Erhöhung des Abgasanteils gelangt durch
das frühe Öffnen des Einlaßventils Abgas vom Brennraum in den relativ
kalten Ansaugkanal und wird von dort wieder in den Brennraum zurück
gesaugt, weshalb sich das Abgas abkühlt und die gewünschte Erhö
hung der Ladungstemperatur im Brennraum nicht oder nur unzurei
chend eintritt. Demgegenüber wird gemäß der vorangehend beschrie
benen Weiterbildung der Erfindung das heiße Abgas in den Auslaßka
nal geschoben, in welchem die Wandtemperaturen höher sind als die
der Zylinderwand, weshalb sich das Abgas nicht abkühlt und seine für
die gewünschte Erhöhung des Energieniveaus der Ladung hohe Tem
peratur beibehält.
Der Einfluß der Abgasrückhaltung bzw. der Abgasrückführung
oder der anderen Stellgrößen auf den homogenen Verbrennungspro
zeß wird mittels geeigneter Sensoren, z. B. Brennraumdrucksensoren,
Ionenstromsensoren oder Lichtleitmeßtechnik mittels Lichtleitsensor,
gemessen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beinhaltet
die Steuer- und Regeleinrichtung einen Kennfeldspeicher mit Kennfel
dern, in denen Stellgrößen der Stellglieder abhängig von Beginn und
Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung oder dem Schwerpunkt
der Umsetzung der Ladung während eines Zyklusses abgelegt sind, um
den Beginn und die Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung
oder den Schwerpunkt der Umsetzung der Ladung für den jeweils fol
genden Zyklus festzulegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Wirkungsplan einer Steuer- und Regeleinrichtung
einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ge
mäß der Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Kolbenweg und die Ventil
steuerzeiten der Brennkraftmaschine von Fig. 1 über dem
Kurbelwinkel dargestellt sind;
Fig. 3a eine schematische Querschnittsansicht einer Zylinder-
Kolben-Einheit der Brennkraftmaschine von Fig. 1 bei ei
nem Kurbelwinkel von ca. 200 Grad;
Fig. 3b eine schematische Querschnittsansicht der Zylinder-
Kolben-Einheit bei einem Kurbelwinkel von ca. 400 Grad;
Fig. 3c eine schematische Querschnittsansicht der Zylinder-
Kolben-Einheit bei einem Kurbelwinkel von ca. 500 Grad;
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem die Brennfunktionen eines rein
fremdgezündeten und eines gemischt fremd- und selbst
gezündeten Verbrennungsprozesses über dem Kurbel
winkel dargestellt sind;
Fig. 5 ein Diagramm, in welchem der Verlauf der spezifischen
Arbeit einer gemischt selbst- und fremdgezündeten
Brennkraftmaschine über der Drehzahl dargestellt ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dient die insgesamt mit 1 be
zeichnete Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine
2 mit Kompressionszündung und 4-Takt-Zyklus zur Regelung des Ver
brennungsprozesses, insbesondere zur Regelung des Beginns und der
Dauer der Umsetzung/Verbrennung oder der Wärmefreisetzung einer
in einem Brennraum der Brennkraftmaschine 2 befindlichen Ladung,
gebildet durch ein Luft-Brennstoff-Gemisch. Durch Änderung des Be
ginns und der Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung kann die
"Lage" des Verbrennungsprozesses an die jeweiligen Randbedingun
gen angepaßt werden, um ihn hinsichtlich Brennstoffverbrauch und Ab
gasemissionen zu optimieren, weshalb vorzugsweise diese Größen
Regelgrößen x der Steuer- und Regeleinrichtung 1 darstellen. Die Re
gelstrecke wird durch die Brennkraftmaschine 2 gebildet, auf welche
Störgrößen z wirken, z. B. in Form von Änderungen der Temperatur der
Ansaugluft oder deren Drucks.
Die Regelgrößen Beginn und Dauer der Umset
zung/Verbrennung der Ladung sind von Sensoren 4 meßbar, vorzugs
weise durch einen an sich bekannten Brennraumdrucksensor und/oder
einen Ionenstromsensor, um elektrische Signale für ein Regelgerät 6
zum Vergleich der gemessenen Größen mit entsprechenden Füh
rungsgrößen w zu erzeugen, welche z. B. in einem Kennfeldspeicher
des Regelgeräts 6 abgespeichert sind. Möglich ist aber auch zur Er
zeugung elektrischer Signale einen Lichtleitsensor zu verwenden, wel
cher die Strahlungsintensität im Brennraum messen kann.
Die Brennkraftmaschine 2 umfaßt folgende Stellgrößen y liefern
de Stellglieder 8: Variabel ansteuerbare Einlaß- und Auslaßventile,
eine Einspritzanlage zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum.
Darüber hinaus kann die Brennkraftmaschine 2 aufgeladen sein, wes
halb sie eine Aufladeeinrichtung, z. B. einen Abgasturbolader mit einem
Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft umfaßt. Zusätzlich kann eine
Abgasrückführeinrichtung zur äußeren Abgasrückführung vorgesehen
werden, bei welcher dem Abgas der Brennkraftmaschine ein definierter
Teilstrom entnommen und über ein vom Regelgerät 6 angesteuertes
Ventil dem Frischgemisch zugeführt wird. Zusätzlich kann ein Wärme
tauscher vorgesehen werden, um z. B. die im Kühlsystem der Brenn
kraftmaschine 2 vorhandene Wärme zum Vorheizen der Ansaugluft im
Saugrohr zu nutzen.
Abhängig vom Vergleich der Regelgrößen x mit den zugeordne
ten Führungsgrößen w erzeugt das Regelgerät 6 Signale zur Ansteue
rung der genannten Stellglieder 8 zur Beeinflussung des Verbren
nungsprozesses der Brennkraftmaschine 2. Dabei werden die variabel
ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile durch das Regelgerät 6 derart
angesteuert, daß in Abhängigkeit des von den Sensoren 4 gemesse
nen Beginns und der Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung
während eines Zyklusses als Stellgrößen y eine bestimmte angesaugte
Luftmasse und damit ein bestimmtes Luftverhältnis λ sowie eine be
stimmte effektive Verdichtung erzeugt werden, zur Festlegung von Be
ginn und Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung für den je
weils nächsten Zyklus. Mit demselben Ziel erfolgt die Ansteuerung der
Einspritzanlage, um einen bestimmten Einspritzdruck, einen bestimm
ten Einspritzzeitpunkt und eine bestimmte Einspritzmenge als Stellgrö
ßen y zu erzeugen. Im Falle einer Mehrpunkteinspritzung kann zusätz
lich eine bestimmte Inhomogenität der Zylinderladung erzeugt werden.
Ebenso sind die Aufladeeinrichtung und der Ladeluftkühler der
Brennkraftmaschine ansteuerbar, um in Abhängigkeit von Beginn und
Dauer der Entflammung der Ladung während eines Zyklusses als Stell
größe y Ladeluft mit einer bestimmten Ladelufttemperatur zu liefern.
Dasselbe gilt auch für den Wärmetauscher, der als Stellgröße eine be
stimmte Temperatur der Ansaug-/Ladeluft erzeugt. Der Ladedruck der
Ansaug-/Ladeluft kann durch druckbeeinflussende Stellglieder 8 wie
z. B. eine Bypassklappe oder ein Wastegate eingestellt werden.
Schließlich liefert die Abgasrückführeinrichtung als Stellgröße eine be
stimmte Menge von Abgas, die in den Brennraum zurückgeführt wird.
Es hat sich herausgestellt, daß Menge und Temperatur im
Brennraum verbleibenden oder dorthin rückgeführten Abgases wesent
liche Einflußgrößen zur Steuerung des Verbrennungsprozesses dar
stellen. Um neben der geschilderten äußeren Abgasrückführung durch
die Abgasrückführeinrichtung auch eine innere Abgasrückhaltung zu
ermöglichen, verfügt die Brennkraftmaschine 2 über eine variable Ven
tilsteuerung vorzugsweise mit elektromagnetischen oder elektrohydrau
lischen Einlaß- und Auslaßventilen.
In Fig. 2 und Fig. 3a bis Fig. 3c ist beispielhaft ein besonders zu
bevorzugendes Beispiel für die Ventilsteuerung eines elektromagneti
schen Einlaßventils 10 und eines elektromagnetischen Auslaßventils 12
einer Zylinder-Kolbeneinheit 14 der Brennkraftmaschine 2 dargestellt,
um eine innere Abgasrückführung zu realisieren. Im einzelnen sind in
Fig. 2 in Diagrammform der Kolbenweg und die Ventilsteuerzeiten in
Abhängigkeit vom Kurbelwinkel gezeigt. Bei dem motorischen Prozeß
der Brennkraftmaschine 2 handelt es sich vorzugsweise um einen hin
länglich bekannten Viertakt-Prozeß mit einem Ansaugtakt, einem Ver
dichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt. Gemäß Fig. 2
beginnend bei einem Kurbelwinkel von Null Grad befindet sich der Kol
ben 16 in einer oberen Zünd-Totpunktlage ZOT, welche den Arbeitstakt
einleitet. Der Verbrennungsbeginn des Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt
in einem Bereich zwischen 10 Grad vor ZOT bis etwa 10 Grad nach ZOT
(Null-Grad Kurbelwinkel). Kurz vor Erreichen der sich anschließenden
unteren Totpunktlage des Kolbens 16 öffnet das Auslaßventil 12 - in
Fig. 2 als AÖ bezeichnet - in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 150
Grad und 180 Grad, vorzugsweise bei 165 Grad. Das Auslaßventil 12
bleibt während des sich anschließenden Ausstoßtaktes mit Aufwärts
bewegung des Kolbens 16 geöffnet, damit heißes Abgas in einen Aus
laßkanal 18 geschoben werden kann, wie durch die in Fig. 3a darge
stellte Kolbenlage bei etwa 200 Grad Kurbelwinkel veranschaulicht
wird. Anstatt wie üblich kurz vor Erreichen einer oberen Ladungswech
sel-Totpunktlage LWOT bei 360 Grad Kurbelwinkel das Einlaßventil 10
zu öffnen, bleibt dieses bis weit in den sich nun anschließenden An
saugtakt geschlossen, wodurch mit dem sich zur unteren Totpunktlage
bewegenden Kolben 16 anstatt Frischluft das zuvor in den Auslaßkanal
18 geschobene, noch heiße Abgas in den Brennraum 20 zurückgezo
gen wird, wie die in Fig. 3b dargestellte Kolbenlage bei etwa 400 Grad
Kurbelwinkel verdeutlicht. Frühestens bei etwa 360 Grad Kurbelwinkel
(entspricht 360 Grad vor ZOT) kann Brennstoff über eine Einspritzdüse
22 direkt in den Brennraum 20 eingespritzt werden. Möglich ist aber
auch eine Saugrohreinspritzung, die beispielsweise während des An
saugens der Frischluft bei geöffnetem Einlaßventil realisiert wird. Eine
Vorlagerung des Kraftstoffs bei noch geschlossenem Einlaßventil ist
dabei auch denkbar. Erst nachdem das Abgas in den Brennraum 20
zurückgesaugt wurde, erfolgt das Öffnen des Einlaßventils 10 - in Fig. 2
als EÖ bezeichnet -, um mittels des verbleibenden Rests der Abwärts
bewegung des Kolbens 16 Frischluft aus einem Ansaugkanal 23 anzu
saugen, wie durch Fig. 3c bei einer Kurbelwinkellage von ca. 500 Grad
veranschaulicht ist. Das Einlaßventil-Öffnen EÖ erfolgt im wesentlichen
gleichzeitig mit dem Auslaßventil-Schließen AS in einem Kurbelwinkel
bereich zwischen 450 und 540 Grad, vorzugsweise bei 470 Grad. Nach
Überwinden einer unteren Totpunktlage des Kolbens 16 erfolgt das mit
Es bezeichnete Schließen des Einlaßventils 10 in einem Kurbelwinkel
bereich zwischen 540 und 630 Grad, vorzugsweise bei 560 Grad. Bei
der anschließenden Verdichtung des durch die rückgeführten heißen
Abgase auf ein höheres Energieniveau gebrachten Luft-Brennstoff-
Abgas-Gemischs wird schließlich dessen Selbstzündung im Bereich der
oberen Zünd-Totpunktlage ZOT ausgelöst.
Zur Beeinflussung der Regelgrößen Beginn und Dauer der Um
setzung/Verbrennung der Ladung im Brennraum 20 werden vom Re
gelgerät 6 elektrische Signale an die elektromagnetischen Einlaß- und
Auslaßventile 10, 12 ausgesteuert, um die Kurbelwinkellage des Aus
laßventil-Schließens AS bzw. des Einlaßventil-Öffnens EÖ innerhalb
der oben genannten Kurbelwinkelbereiche zu höheren oder niedrigeren
Kurbelwinkeln hin zu verschieben, wobei der Kurbelwinkelabstand zwi
schen Auslaßventil-Öffnen AÖ und Einlaßventil-Schließen ES vorzugs
weise im wesentlichen konstant bleibt.
Das Auslaßventil-Schließen AS und Einlaßventil-Öffnen EÖ er
folgt annähernd im selben Kurbelwinkel-Bereich. Idealerweise findet
das Auslaßventil-Schließen AS und das Einlaßventil-Öffnen EÖ im we
sentlichen im selben Zeitpunkt statt. Unter dem Schwerpunkt der Ver
brennung wird der Zeitpunkt einer 50%-igen Umsetzung der einge
spritzten Brennstoffmasse verstanden.
Wegen Ihrer Bedeutung für den Verbrennungsprozeß kann die
im Brennraum verbleibende oder dorthin zurückgeführte Abgasmenge
anstatt Stellgröße y auch Regelgröße x sein, wobei in diesem Fall die
Ein- und Auslaßventile 10, 12 durch das Regelgerät 6 derart ansteuert
werden, daß in Abhängigkeit der im Brennraum 20 zurückgehaltenen
oder dorthin zurückgeführten Abgasmenge während eines Zyklusses
als Stellgrößen beispielsweise die oben beschriebenen Steuerzeiten
der Einlaß- und Auslaßventile 10, 12 zur Bestimmung der im Brenn
raum 20 verbleibenden oder dorthin rückgeführten Abgasmenge für
den jeweils nächsten Zyklus erzeugbar sind.
Gemäß einer Weiterbildung ist eine vom Regelgerät 6 ansteuer
bare Zündanlage mit einer Zündkerze je Zylinder vorgesehen zur
Fremdzündung des Luft-Brennstoff-Gemischs im Brennraum 20, wobei
die Fremdzündung zeitlich vor der sich anschließend einstellenden
Selbstzündung des Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt. Ausgehend von
der Zündkerze breitet sich die Flammenfront aus und verdichtet das
Endgas zusätzlich zur Kompression aufgrund der Kolbenbewegung, bis
die Selbstzündungsbedingungen erreicht sind. Insofern bildet die
Fremdzündung lediglich eine Initialzündung für die anschließende
Selbstzündung. Dieser Sachverhalt wird durch Fig. 4 veranschaulicht, in
welchem die Brennfunktionen von Verbrennungsprozessen über dem
Kurbelwinkel dargestellt ist. Die in strichpunktierten Linien gezeichnete
Kurve 24 stellt dabei den Verlauf der Brennfunktion dar, wie sie sich er
gäbe, wenn der Verbrennungsprozeß ausschließlich durch eine Fremd
zündung gesteuert werden und keine Selbstzündung stattfinden würde.
Demgegenüber ergibt sich der in gestrichelter Linie gezeichnete
Brennfunktionsverlauf 26, wenn zunächst eine Fremd- oder Initialzün
dung erfolgt, um die Bedingungen für die anschließende erfolgende
Selbstzündung zu schaffen. Der Kurvenverlauf 26 der Brennfunktion ist
in letzterem Fall durch zwei Abschnitte charakterisiert, einem ersten
Abschnitt 28, in welchem wegen der zunächst erfolgenden Initialzün
dung sich die Flammenfront ausgehend von der Zündkerze allmählich
ausbreitet und einem sich hieran anschließenden zweiten Abschnitt 30,
in welchem die Selbstzündung des durch die Initialzündung auf ein hö
heres Energieniveau gebrachten Luft-Brennstoff-Gemischs stattfindet.
Wegen der zunächst ausschließlich fremdgezündeten Verbrennung ist
der Kurvenverlauf 26 der Brennfunktion im ersten Abschnitt 28 parallel
zum Brennfunktionsverlauf 24 bei ausschließlicher Fremdzündung,
während er im zweiten Abschnitt 30 wegen der schnelleren Umsetzung
steiler wird.
Die Brennkraftmaschine 2 kann erfindungsgemäß mit einer λ-
Regelung für das Luftverhältnis λ versehen sein, um in Abhängigkeit
des von einem λ-Sensor gemessenen Luftverhältnisses λ ein im we
sentlichen stöchiometrisches Gemisch (λ = 1) im Brennraum einzure
geln. Zur Abgasreinigung ist zweckmäßigerweise ein üblicher Drei-
Wege-Katalysator vorgesehen. Da vor allem bei höherer Last die
Stickoxid-Emissionen ansteigen, ist die λ-Regelung vorzugsweise nur
bei höherer Last wirksam, während in Bereichen niedriger Last, in wel
chen die Stickoxid-Emissionen niedrig sind, die Brennkraftmaschine
weiterhin mit magerem Luft-Brennstoff-Gemisch (λ < 1) und ohne λ-
Regelung betrieben wird.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in welchem die spezifische Arbeit pm
einer weiteren Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß der
Erfindung über der Drehzahl n dargestellt ist. Wie bereits vorangehend
beschrieben, kann wegen der vernachlässigbaren Bildung von
Stickoxiden in einem unteren, durch ein mageres Gemisch (λ < 1) ge
kennzeichneten Lastbereich 32 auf eine zusätzliche Abgasreinigung
z. B. durch konventionelle Drei-Wege-Katalysatoren verzichtet werden.
In einem mittleren Lastbereich 34 wird wegen der dort vermehrt anfal
lenden Stickoxide vorzugsweise eine λ-Regelung (λ = 1) in Kraft ge
setzt, um eine katalytische Abgas-Nachbehandlung zu ermöglichen.
Ausgehend von der Annahme, daß der homogene Verbrennungspro
zeß mit den üblichen Brennkraftmaschinen in einem höheren Lastbe
reich 36 an seine Grenzen stößt, wird bei weiterer Steigerung der Last
von der im mittleren Lastbereich 34 vorherrschenden Selbstzündung
vorzugsweise auf einen konventionellen, rein fremdgezündeten Ver
brennungsprozeß umgeschaltet. Das heißt, daß ab einer Grenzlast
pm grenz keine Selbstzündung der Ladung mehr erfolgt, sondern aus
schließlich Fremdzündung mittels Zündkerze. Die Abgasreinigung wird
im höheren Lastbereich 36 wiederum mittels konventioneller 3-Wege-
Katalysatoren bewerkstelligt, weshalb die λ-Regelung wirksam ist. We
gen der Regelung des Luftverhältnisses λ auf den Wert λ = 1 sowohl im
mittleren Lastbereich 34 wie auch im höheren Lastbereich 36 wird der
Übergang von der selbstgezündeten Verbrennung auf die rein fremd
gezündete Verbrennung und umgekehrt wesentlich erleichtert. Demge
genüber findet im Vollastbereich 38 die übliche Vollastanreicherung
(λ < 1) statt.
Anstatt einer Regelung kann gemäß einer weiteren Ausfüh
rungsform eine Steuerung des Verbrennungsprozesses realisiert sein,
indem anstelle des Regelgeräts 6 von Fig. 1 ein Steuergerät mit einem
Kennfeldspeicher mit Kennfeldern bzw. Kennlinien vorgesehen ist, in
denen die Stellgrößen y der genannten Stellglieder 8 abhängig vom
Betriebszustand und Störgrößen abgelegt sind, um Beginn und Dauer
der Verbrennung/Umsetzung der Ladung für den jeweils folgenden Zy
klus festzulegen. Die in den Kennfeldern bzw. Kennlinien abgelegten
Stellgrößen y können empirisch, rechnerisch (Simulation) oder durch
Schätzung ermittelt worden sein.
Claims (11)
1. Brennkraftmaschine (2) mit Kompressionszündung umfassend folgende
Stellgrößen y liefernde Stellglieder (8) zur Steuerung eines mehrzykli
schen motorischen Prozesses: Variabel ansteuerbare Einlaß- und
Auslaßventile (10, 12), eine Einspritzanlage zum direkten Einspritzen
von Brennstoff in einen Brennraum (20) oder zum Einspritzen in ein
Ansaugrohr, und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) zur Steue
rung und Regelung des Verbrennungsprozesses, dadurch gekenn
zeichnet, daß die variabel ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile
(10, 12) und die Einspritzanlage durch die Steuer- und/oder Regelein
richtung (1) derart ansteuerbar sind, daß in Abhängigkeit der Regelgrö
ßen (x) bildenden Größen Beginn und Dauer der Verbren
nung/Umsetzung der Ladung oder Schwerpunkt der Verbrennung wäh
rend eines Zyklusses als Stellgrößen (y) ein bestimmtes Luftverhältnis
λ, eine bestimmte effektive Verdichtung, ein bestimmter Einspritzdruck,
ein bestimmter Einspritzzeitpunkt und eine bestimmte Einspritzmenge
zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der
Ladung oder des Schwerpunkts der Verbrennung für den jeweils näch
sten Zyklus erzeugbar sind.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die variabel ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) vorzugs
weise elektromagnetische oder elektrohydraulische Ventile und durch
die Steuer- und Regeleinrichtung (1) derart ansteuerbar sind, daß in
Abhängigkeit der Regelgrößen (x) bildenden Größen Beginn und Dauer
der Verbrennung/Umsetzung der Ladung oder Schwerpunkt der Ver
brennung während eines Zyklusses als Stellgrößen (y) eine bestimmte
Menge von Abgas im Brennraum rückhaltbar oder dorthin zurückführ
bar und eine bestimmte Temperatur des rückgehaltenen oder rückge
führten Abgases erzielbar ist, zur Festlegung von Beginn und Dauer der
Verbrennung/Umsetzung der Ladung oder Schwerpunkt der Verbren
nung für den jeweils nächsten Zyklus.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der motorische Prozeß ein Viertakt-Prozeß ist und wenigstens ein Ein
laßventil (10) und ein Auslaßventil (12) der variabel ansteuerbaren
Einlaß- und Auslaßventile einer Zylinder-Kolbeneinheit (14) durch die
Steuer- und Regeleinrichtung (1) derart ansteuerbar sind, daß das
Auslaßventil-Öffnen (AÖ) vor einer zwischen einem Ausstoß- und ei
nem Ansaugtakt liegenden oberen Ladungswechsel-Totpunktlage
(LWOT) eines Kolbens (16) und das Auslaßventil-Schließen (AS) nach
dieser oberen Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) im wesentlichen
gleichzeitig mit dem Einlaßventil-Öffnen (EÖ) stattfinden, um Abgas von
einem Brennraum (20) der Zylinder-Kolbeneinheit (14) durch das geöff
nete Auslaßventil (12) in einen Auslaßkanal (18) zu schieben und da
nach vom Auslaßkanal (18) wieder in den Brennraum (20) zurückzu
saugen.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
wenn die obere Ladungswechsel-Totpunktlage (LWOT) durch einen
Kurbelwinkel von 360 Grad definiert ist, die Einlaß- und Auslaßventile
(10, 12) folgende zu bevorzugende Steuerzeiten aufweisen:
- a) Öffnen des Auslaßventils (12) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 150 Grad und 180 Grad, vorzugsweise bei 165 Grad;
- b) Schließen des Auslaßventils (12) und im wesentlichen gleichzeitiges Öffnen des Einlaßventils (10) in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 450 Grad und 540 Grad, vorzugsweise bei 470 Grad; und
- c) Schließen des Einlaßventils (10) in einem Kurbelwinkelbereich zwi schen 540 und 630 Grad, vorzugsweise bei 560 Grad.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß in die Steuer- und Regeleinrichtung (1) eine Vor
steuerung in Abhängigkeit von der gewünschten Menge des im Brenn
raum (20) zurückgehaltenen oder dorthin rückgeführten Abgases inte
griert ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß sie im weiteren folgende Stellgrößen y
liefernde Stellglieder (8) umfaßt: Eine Aufladeeinrichtung zum Aufladen
des Motors mit Ladeluft, einen Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft,
einen Wärmetauscher zum Vorheizen von Ansaug-/Ladeluft, eine Ab
gasrückführeinrichtung zur äußeren Abgasrückführung, wobei die Auf
ladeeinrichtung durch die Steuer- und Regeleinrichtung (1) derart an
steuerbar ist, daß in Abhängigkeit der Regelgrößen (x) bildenden Grö
ßen Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung oder
Schwerpunkt der Verbrennung während eines Zyklusses als Stellgröße
(y) ein bestimmter Ladedruck erzeugbar ist, und der Ladeluftkühler der
art ansteuerbar ist, daß in Abhängigkeit der Regelgrößen (x) bildenden
Größen Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung
oder Schwerpunkt der Verbrennung während eines Zyklusses als Stell
größe (y) eine bestimmte Luftführung der Ladeluft einstellbar ist, und
der Wärmetauscher derart ansteuerbar ist, daß in Abhängigkeit der
Regelgrößen (x) bildenden Größen Beginn und Dauer der Verbren
nung/Umsetzung der Ladung oder Schwerpunkt der Verbrennung wäh
rend eines Zyklusses als Stellgröße (y) eine bestimmte Vorheizung der
Ansaug-/Ladeluft stattfindet, und die Abgasrückführeinrichtung derart
ansteuerbar ist, daß in Abhängigkeit der Regelgrößen (x) bildenden
Größen Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung
oder Schwerpunkt der Verbrennung während eines Zyklusses als Stell
größe (y) eine bestimmte Menge von Abgas in den Brennraum (20) zu
rückgeführt wird, zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbren
nung/Umsetzung der Ladung oder Schwerpunkt der Verbrennung für
den jeweils nächsten Zyklus.
7. Brennkraftmaschine (2) mit Kompressionszündung umfassend folgende
Stellgrößen y liefernde Stellglieder (8) zur Steuerung eines mehrzykli
schen motorischen Prozesses: Variabel ansteuerbare Einlaß- und
Auslaßventile (10, 12), eine Einspritzanlage zum direkten Einspritzen
von Brennstoff in einen Brennraum (20) oder zum Einspritzen in ein
Ansaugrohr, und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) zur Steue
rung und Regelung des Verbrennungsprozesses, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine von der Regel- und/oder Steuereinrichtung (1) derart
ansteuerbare Zündanlage vorgesehen ist, daß diese kurz vor Erreichen
der für die Kompressionszündung notwendigen Bedingungen wenig
stens einen Zündfunken erzeugt, um eine Initialzündung im Brennraum
(20) hervorzurufen, wobei die Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) derart
gesteuert sind, daß im Teillastbereich ein relativ hoher Abgasanteil im
Brennraum (20) vorherrscht.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens ein Brennraumdrucksensor
(4) und/oder mindestens ein Ionenstromsensor (4) und/oder minde
stens ein Lichtleitsensor zur Erzeugung elektrischer Signale in Abhän
gigkeit vom gemessenen Druck und/oder vom gemessenen Ionenstrom
im Brennraum (20) und/oder von der gemessenen Strahlungsintensität
als Eingangsgrößen für ein Regelgerät (6) der Steuer- und/oder Rege
leinrichtung (1) vorgesehen ist, welche Einfluß auf die Regelgrößen (x)
nehmen.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (1) ein
Steuergerät mit in einem Kennfeldspeicher gespeicherten Kennfeldern
beinhaltet, in denen Stellgrößen (y) der Stellglieder (8) abhängig von
Beginn und Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung oder
Schwerpunkt der Verbrennung während eines Zyklusses abgelegt sind,
um Beginn und Dauer der Umsetzung/Verbrennung der Ladung für den
jeweils folgenden Zyklus festzulegen.
10. Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung und mit ein Einstellen
von Werten für das Luftverhältnis λ eines Luft-Brennstoff-Gemischs in
einem Brennraum (20) ermöglichenden Stellgliedern (8), dadurch ge
kennzeichnet, daß sie eine Regeleinrichtung (1) für das Luftverhältnis
λ beinhaltet, um in Abhängigkeit des von einem λ-Sensor gemessenen
Ist-Werts für das Luftverhältnis λ einen Sollwert einzuregeln und daß im
weiteren eine Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung von Ab
gasen, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator, vorgesehen ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeleinrichtung (1) derart ausgebildet ist, daß in einem Be
reich niedriger Last (32) ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch (λ < 1)
bei außer Kraft gesetzter λ-Regelung und in einem Bereich mittlerer
Last (34) ein im wesentlichen stöchiometrisches Gemisch (λ = 1) bei in
Kraft gesetzter λ-Regelung einregelbar ist und daß der Verbrennungs
prozeß bei Überschreiten einer Grenzlast (pm grenz) von der in Bereichen
niedriger und mittlerer Last (32, 34) vorherrschenden Kompressions
zündung für einen Bereich höherer Last (36) auf eine reine Fremdzün
dung umschaltbar ist.
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