DE19952096C2

DE19952096C2 - Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung

Info

Publication number: DE19952096C2
Application number: DE19952096A
Authority: DE
Inventors: Andreas Juretzka; Klaus Roessler; Thomas Streule
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2019-10-30
Also published as: DE19952096A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1, Anspruch 7 und Anspruch 10.

Eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ist aus der Veröffentlichung "Compression Ratio Effect On Methane HCCI Combustion" 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 Ladung mittels Kompression eine parallele Energiefreisetzung erzielt im Gegensatz zu bisher üblichen Prozessen, bei welchen durch eine zentrale Aktivierung mittels einer Zündquelle (Otto-Prozess) oder mittels Einspritzung (Diesel-Prozess) eine serielle Verbrennung der Ladung mit sich allmählich ausbreitender Flammenfront stattfindet. Die dezentrale Aktivierung verleiht jedem Ladungselement genügend Aktivierungsenergie, um das Energiefreisetzungsniveau zu erreichen.

Die DE 198 04 988 C1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, bei dem mit homogenem, mageren Grundgemisch von Luft und Kraftstoff und mit Kompressionszündung mittels eines steuerbaren Einflußorgans das im Brennraum gebildete Kraftstoff/Luft-Verhältnis veränderbar ist. Um eine möglichst rasche Anpassung an veränderte Verbrennungsabläufe zu erreichen, erfolgt eine Messung der jeweiligen Verbrennung, und in Abhängigkeit des aus dieser Messung gewonnenen Signals wird der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßorgans des Brennraums für den nächsten Zyklus geregelt.

Aus der DE 195 43 219 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors bekannt, bei dem eine Motorregelung eine Fett/Mager-Regelung in Abhängigkeit von dessen Betriebsparametern ermöglicht, wodurch mit Hilfe eines hinter einem Speicherkatalysator angeordneten Sensors zur Erfassung der NOx-Konzentration im Abgasstrom die Regeneration des NOx- Speicherkatalysators eingeleitet wird. Dabei wird der Regenerationsbetrieb durch Abgasrückführung, Erhöhung des Abgasgegendruckes oder eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung unterstützt.

Die WO 98/10179 A2 offenbart eine Brennkraftmaschine mit homogener Ladung und Kompressionszündung, die eine Verbrennungs regelungsvorrichtung zur Regelung der Verbrennung, eine Betriebs zustanderkennungsvorrichtung zum Überwachen der Verbrennung und eine Steuer- bzw. Verarbeitungsvorrichtung aufweist. Dabei werden Verbrennungsparameter wie Beginn oder Dauer der Verbrennung sowie Gemischbildung und Verdichtung so eingestellt, daß eine homogene Dieselverbrennung beispielsweise über die Ansteuerung von variablen Gaswechselventilen realisiert und beeinflußt werden kann.

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 (NO_x) 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.

Vorteile der Erfindung

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 Auslaßkanal 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.

Zeichnungen

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 Randbedingungen 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 liefe rende 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 darstellen. 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 Z_OT, welche den Arbeitstakt einleitet. Der Verbrennungsbeginn des Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt in einem Bereich zwischen 10 Grad vor Z_OT bis etwa 10 Grad nach Z_OT (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 LW_OT 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 Z_OT) 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 Z_OT 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 p_m 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 p_mgrenz 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. Demgegenüber 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

1. Brennkraftmaschine (2) mit Kompressionszündung umfassend folgende Stellgrößen y liefernde Stellglieder (8) zur Steuerung eines mehrzyklischen 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 Steuerung und Regelung des Verbrennungsprozesses, dadurch gekennzeichnet, daß die variabel ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) und die Einspritzanlage durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) derart ansteuerbar sind, daß in Abhängigkeit eines Zeitpunkts der 50%-igen Umsetzung der eingespritzten Brennstoffmasse während 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 nächsten Zyklus erzeugbar sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variabel ansteuerbaren Einlaß- und Auslaßventile (10, 12) vorzugsweise 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 Verbrennung während eines Zyklusses als Stellgrößen (y) eine bestimmte Menge von Abgas im Brennraum rückhaltbar oder dorthin zurückführbar und eine bestimmte Temperatur des rückgehaltenen oder rückgeführten Abgases erzielbar ist, zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung oder Schwerpunkt der Verbrennung für den jeweils nächsten Zyklus.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der motorische Prozeß ein Viertakt-Prozeß ist und wenigstens ein Einlaßventil (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 einem Ansaugtakt liegenden oberen Ladungswechsel- Totpunktlage (LW_OT) eines Kolbens (16) und das Auslaßventil-Schließen (AS) nach dieser oberen Ladungswechsel-Totpunktlage (LW_OT) im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einlaßventil-Öffnen (EÖ) stattfinden, um Abgas von einem Brennraum (20) der Zylinder-Kolbeneinheit (14) durch das geöffnete Auslaßventil (12) in einen Auslaßkanal (18) zu schieben und danach vom Auslaßkanal (18) wieder in den Brennraum (20) zurückzusaugen.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenn die obere Ladungswechsel-Totpunktlage (LW_OT) 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 zwischen 540 und 630 Grad, vorzugsweise bei 560 Grad.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Steuer- und Regeleinrichtung (1) eine Vorsteuerung in Abhängigkeit von der gewünschten Menge des im Brennraum (20) zurückgehaltenen oder dorthin rückgeführten Abgases integriert ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 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 Abgasrückführeinrichtung zur äußeren Abgasrückführung, wobei die Aufladeeinrichtung durch die Steuer- und Regeleinrichtung (1) 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 Stellgröße (y) ein bestimmter Ladedruck erzeugbar ist, und der Ladeluftkühler 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 Stellgröße (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 Verbrennung/Umsetzung der Ladung oder Schwerpunkt der Verbrennung während 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 Stellgröße (y) eine bestimmte Menge von Abgas in den Brennraum (20) zurückgeführt wird, zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung/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 mehrzyklischen 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 Steuerung und Regelung des Verbrennungsprozesses, dadurch gekennzeichnet, 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 wenigstens 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, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Brennraumdrucksensor (4) und/oder mindestens ein Ionenstromsensor (4) und/oder mindestens ein Lichtleitsensor zur Erzeugung elektrischer Signale in Abhängigkeit 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 Regeleinrichtung (1) vorgesehen ist, welche Einfluß auf die Regelgrößen (x) nehmen.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 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), wobei 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 Abgasen, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (1) derart ausgebildet ist, daß in einem Bereich 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 Verbrennungsprozeß bei Überschreiten einer Grenzlast (p_mgrenz) von der in Bereichen niedriger und mittlerer Last (32, 34) vorherrschenden Kompressionszündung für einen Bereich höherer Last (36) auf eine reine Fremdzündung umschaltbar ist.