DE602005003329T2 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Steuern der Umschaltung des Betriebsmodus - Google Patents

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Description

  • Fachgebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine bzw. einen Verbrennungsmotor, die bzw. der von einem Verbrennungsmodus, der einen höheren Verteilerrohr- bzw. Krümmerdruck verwendet, in einen zweiten Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Verteilerrohr- bzw. Krümmerdruck verwendet, umgeschaltet werden kann, sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Verbrennungsmotors.
  • Stand der Technik
  • Um den thermischen Wirkungsgrad von Benzinverbrennungsmotoren zu verbessern, führt eine magere Verbrennung bekanntlich dadurch zu einem verbesserten thermischen Wirkungsgrad, daß Pumpverluste reduziert werden und das Verhältnis der spezifischen Wärme erhöht wird. Im allgemeinen führt eine magere Verbrennung bekanntlich zu niedrigem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Stickoxid- oder NOx-Emissionen. Es besteht jedoch wegen Fehlzündung und Verbrennungsinstabilität infolge einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bei der ein Motor mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zur Erweiterung der Magergrenze sind u. a.: Verbesserung der Zündfähigkeit des Gemischs durch Steigerung der Kraftstoffaufbereitung, beispielsweise unter Verwendung von zerstäubtem Kraftstoff oder verdampftem Kraftstoff und Erhöhung der Flammgeschwindigkeit durch Einführung von Ladungsbewegung und -turbulenz im Luft-Kraftstoff-Gemisch. Schließlich ist Verbrennung durch Selbstzündung oder homogene Ladungskompressionszündung vorgeschlagen worden für den Betrieb eines Motors mit sehr mageren oder verdünnten Luft-Kraftstoff-Gemischen. Ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch hat einen Lamb da-Wert von λ > 1. Per Definition wird ein Lambda-Wert λ von weniger als 1 als "fett" bezeichnet, während ein Wert größer als 1 als "mager" bezeichnet wird. Der Lambda-Wert ist definiert als die Menge der Ansaugluft, geteilt durch den theoretischen Luftbedarf, wobei das ideale stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14,5 Teile Luft und 1 Teil Kraftstoff) einen Lambda-Wert von λ = 1 hat.
  • Wenn bestimmte Bedingungen in einer homogenen mageren Luft-Kraftstoff-Gemischladung bei Niedriglastbetrieb erfüllt sind, kann eine Kompressionszündung mit homogener Ladung erfolgen, wobei eine Gesamtverbrennung erfolgt, gleichzeitig ausgelöst von vielen Zündstellen innerhalb der Ladung, was zu einer sehr stabilen Leistungsabgabe, einer sehr sauberen Verbrennung und einem hohen Kraftstoffumsetzungsgrad führt. NOx-Emission, die bei einer gesteuerten Kompressionszündverbrennung mit homogener Ladung produziert wird, ist extrem niedrig im Vergleich zu einer Funkenzünd-(SI-)Verbrennung auf der Grundlage einer sich ausbreitenden Flammenfront und zu einer Kompressionszünd-(HCCI-)Verbrennung mit homogener Ladung auf der Grundlage einer zugehörigen Diffusionsflamme. In den letzteren beiden Fällen, die durch Funkenzündungsmotor bzw. Dieselmotor repräsentiert werden, ist die Temperatur des verbrannten Gases in der Ladung sehr homogen, wobei sehr hohe lokale Temperaturwerte hohe NOx-Emission erzeugen. Im Gegensatz dazu ist bei einer gesteuerten Kompressionszündverbrennung mit homogener Ladung, bei der die Verbrennung gleichmäßig in der gesamten Ladung von vielen Zündstellen verteilt ist, die Temperatur des verbrannten Gases im wesentlichen homogen, wobei viel niedrigere lokale Temperaturwerte zu sehr niedriger NOx-Emission führen.
  • Motoren, die unter einer gesteuerten Kompressionszünd-(HCCI-)Verbrennung mit homogener Ladung arbeiten, sind bereits erfolgreich in Zweitaktbenzinmotoren unter Verwendung eines herkömmlichen Kompressionsverhältnisses demonstriert worden. Der hohe Anteil an verbrannten Gasen, die vom vorherigen Zyklus im Zweitaktmotorbrennraum zurückbleiben, d. h. der Restinhalt, ist verantwortlich für die Entstehung der hohen Ladungstemperatur und der aktiven Kraftstoffradikale, die notwendig sind, um eine Kompressionszündung mit homogener Ladung in einem sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch zu fördern. Da bei Viertaktmotoren der Restinhalt gering ist, ist eine Kompressionszündung mit homogener Ladung schwieriger zu erreichen, kann aber durch Erwärmung der Ansaugluft auf eine hohe Temperatur oder durch eine deutliche Erhöhung des Kompressionsverhältnisses bewirkt werden. Diese Wirkung kann auch erreicht werden, wenn ein Teil des warmen Abgases oder der Reststoffe durch Zeitsteuerung der Einlaß- und Auslaßventile zurückgehalten wird.
  • In allen oben genannten Fällen ist der Bereich der Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Kompressionszündverbrennung mit homogener Ladung erreicht werden kann, relativ schmal. Der verbrauchte Kraftstoff hat auch eine erhebliche Auswirkung auf den Betriebsbereich; beispielsweise haben Diesel- und Methanolkraftstoffe breitere Selbstzündbereiche als Benzinkraftstoff. Ein weiteres Problem besteht darin, die Zündung zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer dauerhaften Verbrennungsstabilität zu erreichen und gleichzeitig Klopfen und Fehlzündung des Motors zu vermeiden. Dies ist ein besonderes Problem, wenn der Motor bei HCCI-Verbrennung bei relativ hoher Last in einem Bereich betrieben wird, wo eine Modusumschaltung von HCCI auf SI erforderlich sein kann.
  • 2 zeigt ein Diagramm, das den relativ schmalen Betriebsbereich eines Motors im HCCI-Modus veranschaulicht. Das Diagramm zeigt ein Kennfeld des mittleren induzierten Drucks BMEP (bar) über der Motordrehzahl n (U/min) für Motoren, die im Funkenzündmodus oder SI-Modus bzw. im HCCI-Modus betrieben werden.
  • Um den Betriebsbereich eines Motors, der im HCCI-Modus betrieben wird, zu erweitern, kann der Ansaugdruck mittels eines Turboladers oder eines Kompressors verstärkt werden. Dadurch kann der Betriebsbereich oder das Betriebsfenster erweitert werden, wie durch eine gestrichelte Linie in 2 schematisch dargestellt. Wenn jedoch das Umschalten zwischen einem Verbrennungsmodus, der einen höheren Verteilerrohrdruck (aufgeladen oder hochaufgeladen) verwendet, in einen Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Verteilerrohrdruck (Umgebungs- oder gedrosselter Druck) verwendet, erfolgt, entsteht ein Problem, nämlich bei der Absaugung der Überschußluft im Verteilerrohr in einer sehr kurzen Zeit. Im normalen SI-Modus arbeitet der Motor bei oder nahe einem Lambda-Wert von λ = 1, und eine magerere Verbrennung, wie sie im HCCI-Modus verwendet wird, könnte Probleme bei der Verbrennungsstabilität und/oder beim Ausstoß nach Behandlung bewirken, z. B. NOx-Emissionen. Zweitens sollte ein Moduswechsel so schnell wie möglich erfolgen, um Zwischenverbrennungsmodi, die schwer zu beherrschen sind, zu vermeiden.
  • Das Problem der Absaugung der Überschußluft im Verteilerrohr beim Umschalten zwischen Betriebsmodi besteht auch, wenn von Schichtverbrennung zur homogenen Verbrennung umgeschaltet wird, wenn ein Motor im SI-Modus betrieben wird.
  • Daher ist es notwendig, das Problem der Steuerung eines aufgeladenen Motors und der Absaugung der Überschußluft im Verteilerrohr zu lösen, wenn vom Verbrennungsmodus, der einen höheren Verteilerrohrdruck verwendet, wie etwa aufgeladen oder hochaufgeladen, in einen Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Verteilerrohrdruck verwendet, wie etwa Umgebungs- oder gedrosselter Druck, umgeschaltet wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die oben beschriebenen Probleme werden durch eine Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 und 13 und deren jeweiligen abhängigen Ansprüchen gelöst.
  • Die Erfindung gemäß den oben genannten Ansprüchen betrifft eine Brennkraftmaschine bzw. einen Verbrennungsmotor, der mit Mitteln zum Verstärken bzw. Hochaufladen des absoluten Verteilerrohrdrucks (Turbolader, Kompressor usw.) versehen ist. Außerdem ist der Motor vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise mit Mitteln zur variablen Ventilsteuerung (VVT) und Nockenprofilumschaltung (CPS) versehen. Beispiele für vollvariable Ventilsysteme sind beispielsweise elektrische Magnetventilsysteme und elektrische Hydraulikventilsysteme. Der folgende Text konzentriert sich hauptsächlich auf Ausführungsformen mit den oben genannten Merkmalen.
  • Obwohl die folgenden Beispiele Benzinkraftstoffe betreffen, kann ein Motor, der nach den Prinzipien der Erfindung betrieben wird, auch dafür eingerichtet sein, sehr verbreitete verfügbare Kraftstoffe, wie etwa Diesel, Kerosin, Erdgas und andere, zu verwenden.
  • Ein Hubkolben ist in jedem Motorzylinder angeordnet, dessen Kompressionswirkung bewirkt, daß ein Gemisch aus Luft und Benzinkraftstoff im Brennraum gezündet wird. Der Gasaustausch wird vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, durch mindestens ein Einlaßventil gesteuert, versehen mit variabler Ventilsteuerung pro Zylinder zum Einlassen eines brennbaren Gases, wie etwa Luft, und vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, durch mindestens ein Auslaßventil, versehen mit einer variablen Ventilsteuerung pro Zylinder zum Ausstoßen von verbrannten Gasen.
  • Der Verbrennungsprozeß wird durch Sensoren zur Messung der Klopf- und Verbrennungsstabilität des Motors überwacht. Der Klopfsensor kann ein piezoelektrischer Sensortyp sein, der auch für eine kontinuierliche Überwachung des Zylinderdrucks verwendet werden kann. Der Verbrennungsstabilitätssensor kann ein Beschleunigungssensor sein, wie etwa ein Schwungradsensor oder ein Ionenstromsensor. Als Alternative können die beiden Sensoren durch einen einzigen zylinderinternen piezoelektrischen Drucksensor ersetzt werden. Durch Verarbeitung des Ausgangssignals eines solchen Sensors ist es möglich, ein Signal, das das Motorklopfen darstellt, und ein Signal, das die Motorstabilität darstellt, zu gewinnen.
  • Entsprechend einem Beispiel kann der Motor im Kompressionszünd-(HCCI-)Verbrennungsmodus mit homogener Ladung betrieben werden. Im nachfolgenden Text wird dies als HCCI-Modus oder Kompressionszündmodus bezeichnet. Dies ist ein Verbrennungsmodus, der sich von einem herkömmlichen Funkenzünd-(SI-)Verbrennungsmodus unterscheidet, der verwendet wird, um den Kraftstoffverbrauch in Verbindung mit ultraniedrigen NOx-Emissionen zu reduzieren. In diesem Modus wird ein Gemisch, das Kraftstoff, Luft und Verbrennungsreststoffe enthält, mit einem Kompressionsverhältnis zwischen 10,5 und 13 zu einer Selbstzündung komprimiert. Die HCCI-Verbrennung hat keine oder eine sich sehr langsam bewegende Flammenfront im Gegensatz zu einer SI-Verbrennung, die eine sich bewegende Flammenfront hat. Das Ausbleiben einer Flammenfront reduziert die Temperatur und erhöht die Wärmefreisetzungsrate, die wiederum den thermischen Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht. Das stöchiometrische Gemisch muß mit Zugangsluft und/oder Reststoffen verdünnt werden, um die Wärmefreisetzungsrate zu reduzieren. Dies reduziert sowohl Pumpverluste als auch die Verbrennungstemperatur und daher den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu einem SI-betriebenen Motor. Die Verbrennungsreststoffe werden erfaßt, wenn der Motor mit einer negativen Ventilüberschneidung betrieben wird. Die Reststoffe erhöhen die Temperatur des Gemischs, so daß die Selbstzündtemperatur erreicht wird, bevor der obere Totpunkt (TDC) des Kolbens erreicht ist, und verdünnen das Gemisch, so daß die Wärmefreisetzungsrate auf eine akzeptable Höhe absinkt. Durch Steuerung der Wärmefreisetzung können Zyklusschwankungen (COV), Geräusch und Klopfverbrennung reduziert werden. Die negative Ventilüberschneidung wird erreicht, wenn das Auslaßventil vor dem Kolben-TDC geschlossen wird und das Einlaßventil nach dem Kolben-TDC in der Gasaustauschphase der Verbrennung geöffnet wird.
  • Die übernommene Ventilsteuerung zur negativen Überschneidung kann unter Verwendung geeigneter vollständig oder teilweise variabler Ventilsysteme (VVT) und CPS und somit durch Umschalten von der herkömmlichen SI-Ventilsteuerung zur HCCI-Ventilsteuerung mit einer kürzeren Ventilöffnungsdauer und/oder kürzerem Ventilhub erreicht werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der mit mindestens einem Zylinder versehen und dafür eingerichtet ist, zwischen einem Funkenzündmodus und einem Kompressionszündmodus umgeschaltet zu werden. Der Motor weist auf: ein Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil, durch das Kraftstoff in einen Brennraum für jeden Zylinder eingespritzt wird, ein Mittel zur Ansaugluftladung und eine Steuereinheit zum Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, des Ansaugluftlademittels und des Funkenzündsystems. Kraftstoffeinspritzung wird vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, mittels Direkt einspritzung (DI) in jeden Brennraum erreicht. Der Motor weist ferner auf: einen Kolben pro Motorzylinder, dessen Kompressionswirkung bewirkt, daß ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff im Brennraum gezündet wird, mindestens ein Einlaßventil zum Einlassen von Gas, das Frischluft aufweist, in den Zylinder und mindestens ein Auslaßventil zum Ausstoßen von verbrannten Gasen aus dem Zylinder. Mindestens ein Sensor zum Messen eines Motorbetriebsparameters kann auch vorgesehen sein. Obwohl die Erfindung vorzugsweise einen Direktkraftstoffeinspritz-(DI-)Motor betrifft, kann sie auch für Motoren mit Einlaßkanaleinspritzung verwendet werden.
  • Beim Kompressionszündmodus ist das Auslaßventil dafür eingerichtet, vor dem oberen Totpunkt während des Ausstoßtaktes des Kolbens geschlossen zu werden, und das Einlaßventil dafür eingerichtet, nach dem oberen Totpunkt während eines Ansaugtaktes des Kolbens geöffnet zu werden, um eine negative Ventilüberschneidung zu erreichen, um Restabgase zurückzuhalten. Die Steuereinheit kann dafür eingerichtet sein, das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzungen in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsbedingungen durchzuführen. Der allgemeine Betrieb eines Motors im HCCI-Modus ist dem Fachmann bekannt und wird hier nicht näher beschrieben.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der die Bestandteile wie oben beschrieben aufweist und der mit mindestens einem Zylinder versehen und dafür eingerichtet ist, zwischen einer Schichtverbrennung und einer homogenen Verbrennung im Funkenzündmodus umgeschaltet zu werden.
  • Bei Schichtverbrennung wird der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt, und das fette Schichtgemisch befindet sich nahe der Zündkerze, wo es gezündet wird. Dieser Verbrennungsmodus wird zur Versorgung eines Motors verwendet, der sowohl den Kraftstoffwirkungsgrad eines Dieselmotors als auch die hohe Ausgangsleistung eines herkömmlichen Benzinmotors erreichen kann. Der Vorteil dieses Schichtbetriebsmodus ist die Reduzierung der Ladungswechselverluste, die durch den Betrieb ohne Drosselklappe oder mit weit geöffneter Drossel klappe unter Teillastbedingungen verursacht werden. In diesem Fall ist der Kraftstoff nur ein Faktor, der die Leistungsfähigkeit steuert. Beim homogenen Betriebsmodus (λ = 1) wird der Kraftstoff während des Ansaugtaktes eingespritzt und wird mit der Ansaugluft im gesamten Brennraum vermischt. Dieser Modus kann über den gesamten Drehzahl/Lastbereich verwendet werden. In diesem Fall wird, wie bei der Verteilerrohreinspritzung die Leistungsfähigkeit durch Laden und Zünden gesteuert. Beim homogenen mageren (λ > 1) Betriebsmodus (wie auch beim "homogenen" Modus) erfolgt die Einspritzung während des Ansaugtaktes. Die Kraftstoffmenge wird jedoch geringer (Überschußluft). Wie im Schichtmodus ist der Kraftstoff auch der Faktor, der die Leistungsfähigkeit in diesem Betriebsmodus steuert.
  • Bei beiden oben beschriebenen Ausführungsformen stellt die Erfindung ein Mittel zur Absaugung der Überschußluft im Verteilerrohr bereit, wenn zwischen Betriebsmodi umgeschaltet wird. Dieses Mittel erreicht dies durch Steuerung eines aufgeladenen Motors und durch Absaugung der Überschußluft im Ansaugverteilerrohr, wenn vom Verbrennungsmodus, der einen höheren Verteilerrohrdruck (aufgeladen oder hochaufgeladen) verwendet, zu einem Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Verteilerrohrdruck (Umgebungs- oder gedrosselter Druck) verwendet, umgeschaltet wird.
  • Wenn eine Laständerung bezüglich der Motorlast oder Motordrehzahl erfaßt wird, die eine Verbrennungsmodusumschaltung erfordert, ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, den Motor von dem ersten Verbrennungsmodus, der einen höheren Verteilerrohrdruck verwendet, zu dem zweiten Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Verteilerrohrdruck verwendet, umzuschalten, und ferner dafür eingerichtet, das Ansaugluftlademittel zu steuern, um zu bewirken, daß eine Druckwelle im Ansaugluftlademittel bewirkt wird, um den höheren Verteilerrohrdruck abzusaugen oder auszugleichen.
  • Die Steuereinheit ist dafür eingerichtet, das Ansaugluftlademittel von einem Teillastkennfeld zu einem Kennfeld umzuschalten, das einem Kennfeld für höhere Last entspricht, wie etwa ein Vollastkennfeld. Durch Ausschaltung des Lastkennfeldes, beispielsweise durch Ausschaltung der Leitschaufel funktion eines variablen Diffusorleitschaufel-Turboladerkompressors wird eine Druckwelle ausgelöst. Der Grundgedanke von Lastenkennfeldern für das Luftlademittel, wie etwa Kompressoren, wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Sobald die Überschußluft aus dem Ansaugluftverteilerrohr abgesaugt ist und der Druck auf Umgebungsdruck oder gedrosselten Druck reduziert worden ist, wird die Druckwelle unterbrochen durch Umschaltung des Kompressors zurück zum Lastkennfeld, das keine Druckwelle bewirkt, und durch Öffnen eines Wastegates bzw. Abblasventils, um zu verhindern, daß der Druck im Ansaugluftverteilerrohr ansteigt. Wie oben ausgeführt, betrifft die Erfindung einen Direktkraftstoffeinspritz-(DI-)Motor, aber sie kann auch für Motoren mit Krümmereinspritzung verwendet werden. Im letzteren Fall sollte sichergestellt sein, daß die Überschußluft, die aus dem Ansaugluftverteilerrohr abzusaugen ist, nicht im eingespritzten Kraftstoff enthalten ist.
  • Im Prinzip kann das Ansaugluftlademittel ein beliebiger Typ eines Luftansaugmittels sein, das druckwellenempfindlich ist, wodurch eine Luftströmung vorübergehend umgekehrt wird. Das Ansaugluftlademittel, das erfindungsgemäß verwendet wird, ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, ein Kompressor mit variabler Geometrie oder ein variabler Turboladekompressor. Beispiele für solche Luftlademittel können Kompressoren mit variablen Diffusorleitschaufeln, einer variablen Düse oder mit Drallumkehrschaufeln sein.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, wie oben beschrieben. Das Verfahren kann die folgenden Schritte aufweisen:
    • – Erfassen einer Laständerung, die eine Verbrennungsmodusumschaltung erfordert;
    • – Umschalten des Motors von einem ersten Verbrennungsmodus, der einen höheren Verteilerrohrdruck verwendet, zu einem zweiten Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Verteilerrohrdruck verwendet;
    • – Steuern des Ansaugluftlademittels durch Umschalten des Mittels, um eine Druckwelle während der Verbrennungsmodusumschaltung auszulösen; und
    • – Absaugen von überschüssiger Luft aus dem Verteilerrohr.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren auf: Steuern des Ansaugluftlademittels durch Umschalten des Ansaugluftlademittels durch Abschalten eines Teillastkennfeldes, beispielsweise durch Umschalten desselben von einem Teillastkennfeld zu einem Vollastkennfeld.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren auf: Umschalten eines Ansaugluftlademittels in Form eines Kompressors mit variablen Leitschaufeln durch Steuern der Leitschaufeln, um eine Druckwelle zu bewirken. Dies kann durch Abschalten der Leitschaufelfunktion durch Einziehen der Leitschaufeln erreicht werden, was den verfügbaren Strömungsquerschnitt in diesem Teil des Kompressors erhöht.
  • Wie oben ausgeführt, kann das Verfahren angewendet werden, wenn der Verbrennungsmodus vom Kompressionszündmodus mit homogener Ladung zum Funkenzündmodus umgeschaltet wird und wenn der Verbrennungsmodus von einer Schichtverbrennung zu einer homogenen Verbrennung umgeschaltet wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Nachstehend wird die Erfindung ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese Zeichnungen werden lediglich zu Darstellungszwecken verwendet und schränken den Schutzbereich der Erfindung in keiner Weise ein, wobei diese folgendes zeigen:
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen schematischen Verbrennungsmotor;
  • 2 zeigt ein Diagramm, das den Betriebsbereich eines Motors im SI- bzw. HCCI-Modus darstellt;
  • 3 zeigt ein Kompressorkennfeld für einen Kompressor, der einen variablen Leitschaufeldiffusor verwendet; und
  • 4 zeigt eine schematische Kennlinie für einen Kompressor.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Der Motor ist mit mindestens einem Zylinder 1 versehen und weist ein Kraftstoffeinspritz ventil 2 auf, durch das Kraftstoff in einen Brennraum 3 für jeden Zylinder eingespritzt wird. Eine Kraftstoffeinspritzsteuereinheit 4 steuert die Kraftstoffeinspritzmenge pro Verbrennungstakt, die durch jedes Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird. Ein Kolben 5 im Motorzylinder hat eine Kompressionswirkung, die bewirkt, daß ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff im Brennraum durch Selbstzündung während des HCCI-Modus gezündet wird oder durch Funken während des SI-Modus gezündet wird. Der Zylinder ist versehen mit mindestens einem Einlaßventil 6 zum Einlassen von Gas, das Frischluft aufweist, in den Zylinder und mindestens einem Auslaßventil 7 zum Ausstoßen von verbrannten Gasen aus dem Zylinder. Luft wird durch eine Ansaugleitung 9 zugeführt, die mit einem Ansaugverteilerrohr verbunden ist, während Abgas durch eine Abgasleitung 10 ausgestoßen wird. Während des SI-Modus wird die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs durch eine Zündkerze 8 gezündet.
  • Die Steuereinheit empfängt Signale von mindestens einem Sensor zum Messen von Motorbetriebsparametern, wobei die Sensoren einen Brennraumdrucksensor 11, einen Ansaugverteilerrohrdrucksensor 12 und eine λ-Sonde 13 in der Ausstoßleitung sowie Temperatursensoren für Ansaugluft 14, Motorkühlmittel 15 und Motoröl 16 aufweisen. Die Steuereinheit steuert die Einlaß- und Auslaßventile 6, 7 mittels Ventilstellgliedern 17, 18. Die Stellglieder können elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch betrieben werden.
  • Bei Bedarf kann die durch die Ansaugleitung 9 zugeführte Luft mittels eines Turboladers 20 mit variabler Geometrie unter Druck gesetzt werden, der in diesem Fall ein Kompressor mit variablen Leitschaufeln (nicht dargestellt) ist. Solche Turbolader, die eine Turbine und ein Verdichterrad, ein steuerbares Wastegate und Durchflußsteuerung, variable Diffusorschaufeln mindestens in dem Kompressoreinlaßteilstück aufweisen, sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht ausführlich beschrieben. Der Turbolader wird durch die Steuereinheit 4 über eine elektrische Verbindung 19 gesteuert. Umgebungsluft wird dem Turbolader 20 von einer ersten Leitung 21 zugeführt und an eine zweite Leitung im wesentlichen mit Umgebungsdruck oder erhöhtem Druck geliefert, wie und wann von der Steuerein heit 4 gefordert. Die zweite Leitung 22 liefert Luft an die Ansaugleitung 9 über das Ansaugluftverteilerrohr. Abgas wird aus dem Motor über die Abgasleitung 10 an eine dritte Leitung 23 ausgestoßen, die mit dem Turbinenteilstück des Turboladers 20 verbunden ist. Das Abgas treibt das Turbinenrad und wird dann an eine Nachbehandlungseinheit, wie etwa einen Katalysator, im Fahrzeugabgassystem (nicht dargestellt), geliefert.
  • Um den Betriebsbereich des Motors, der im HCCI-Modus betrieben wird, zu erweitern, kann der Ansaugluftdruck mittels des Turboladers 20 verstärkt werden. Dadurch kann der Betriebsbereich oder das Betriebsfenster erweitert werden, wie schematisch durch eine gestrichelte Linie in 2 dargestellt. Wenn jedoch zwischen einem Verbrennungsmodus, der einen höheren Verteilerrohrdruck verwendet, wie etwa der HCCI-Modus, zu einem Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Verteilerrohrdruck verwendet, wie etwa der SI-Modus, umgeschaltet wird, ist es erwünscht, die Überschußluft im Ansaugluftverteilerrohr in einer relativ kurzen Zeit abzusaugen. Die Zeit, die erforderlich ist, um den Druck auszugleichen, ist teilweise abhängig von der Größe des Kompressors, sofern nämlich ein größerer Kompressor einen größeren Strömungsquerschnitt für die umgekehrte Strömung bietet. Außerdem beeinflußt die Größe der Druckdifferenz auch die Zeit, obwohl die Geschwindigkeit des strömenden Gases mindestens während einer Anfangsphase der Druckwelle unter den gegenwärtigen Betriebsbedingungen durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt ist. Bei dieser Strömungsgeschwindigkeit wird der Kompressor gedrosselt, und die Durchflußrate kann nicht weiter erhöht werden. Die Druckwelle endet, wenn der Druck vor und nach dem Kompressor ausgeglichen worden ist. Dies erfolgt, wenn ein Motor, der im turbogeladenen HCCI-Modus betrieben wird, einer Laständerung ausgesetzt ist, wie etwa einer Erhöhung der Motorlast oder der Motordrehzahl, die ein Umschalten vom Teillast-HCCI-Modus zum Vollast-SI-Modus erfordert. In 2 kann man erkennen, daß ein Verbrennungsmoduswechsel durch eine Erhöhung der Motorlast und durch eine Reduzierung der Motorlast tatsächlich erforderlich sein kann, sobald die Betriebsbedingungen erfordern, daß der Motor im SI-Modus außerhalb des gestrichelten Bereichs betrieben wird, der den HCCI-Modus in 2 anzeigt.
  • 3 zeigt Kompressorkennfelder für einen Kompressor, der einen variablen Leitschaufeldiffusor verwendet. Die Figur zeigt schematisch Kompressorkennfelder, die in einem Diagramm aufgezeichnet sind, das das Druckverhältnis über einer Einlaßströmungsfunktion zeigt. Das Druckverhältnis ist definiert als P0S/P01, wobei P0S der abgegebene Druck und P01 der Einlaßdruck (N/mm2) ist. Die (dimensionslose) Einlaßströmungsfunktion F ist definiert als:
    Figure 00130001
    wobei m der Massendurchfluß des Gases (kg/s), T01 die Einlaßtemperatur des Gases (°C) und A1 der Einlaßquerschnitt des Kompressors (mm2) ist.
  • Gemäß dem Beispiel in 3, das für den HCCI-Betrieb verwendet wird, kann der Kompressor mit variablen Leitschaufeln unter Verwendung mehrerer vorbestimmter Kompressorkennfelder betrieben werden, wobei jedes Kennfeld einen anderen Diffusorhalsquerschnitt AD für verschiedene Halsquerschnittöffnungsgrade (angegeben in % des vollen Öffnungsquerschnitts) darstellt. Beispielsweise zeigt das Kennfeld, das durch die AD-100%-Kurve AD100 dargestellt wird, ein Kompressorkennfeld, das bei Vollast verwendet werden kann, und das Kennfeld, das durch die AD-16%-Kurve AD16 dargestellt wird, kann bei einer ersten Teillast verwendet werden. Im AD-100%-Kompressorkennfeld, das in diesem Beispiel auch als "Standardkompressorkennfeld" bezeichnet wird, ist die variable Leitschaufelfunktion oder die variable Drallfunktion abgeschaltet. Die Kurven AD-45%- und AD-72%-Kurve AD45, AD72 zeigen dazwischenliegende Teillastkennfelder für Motorlasten zwischen der ersten Teillastbedingung und der Vollastbedingung.
  • Bei jedem Kompressorkennfeld wird die obere Linie als Druckwellenlinie SL bezeichnet, wobei der Kompressor bei jedem solchen Kennfeld normalerweise unterhalb der Druckwellenlinie betrieben wird. In 3 hat die Kurve AD16 die Druckwellen linie SL1, die Kurve AD45 die Druckwellenlinie SL2, die Kurve AD72 die Druckwellenlinie SL3 und die Kurve AD100 die Druckwellenlinie SL4.
  • Die gestrichelten Linien stellen Linien des konstanten Kompressorwirkungsgrads ηC dar. In dem dargestellten Beispiel stellen die gestrichelten Linien ηC1 und ηC2 Kompressorwirkungsgrade von 50% bzw. 45% dar. Entsprechend stellen die Linien ηC3, ηC4, ηC5, ηC6, ηC7 und ηC8 Kompressorwirkungsgrade von 65%, 60%, 72%, 70%, 80% bzw. 78% dar.
  • Die gekrümmten Linien, die sich von der Druckwellenlinie nach unten erstrecken, stellen Linien einer konstanten "dimensionslosen" Drehzahl CN des Kompressors dar. Diese Drehzahl wird ausgedrückt mit CN =
    Figure 00140001
    und ist proportional zur Blattspitze-Machzahl, wobei U2 die Drehzahl des Kompressors (U/min) und T01 die Einlaßtemperatur des Gases (°C) ist.
  • Wenn gemäß einem Beispiel der Motor im aufgeladenen HCCI-Modus oder im Schichtbenzin-Direkteinspritzmodus betrieben wird, wird der Kompressor mit dem kleinsten Kompressorkennfeld AD 16% (oben beschrieben) betrieben, das unter Verwendung des variablen Flügels oder des variablen Drallmechanismus in Abhängigkeit vom Typ des verwendeten variablen Kompressors aktiviert wird. Dieses Kompressorkennfeld liegt über der Druckwellenlinie im Druckwellenbereich des Vollastkennfeldes des Kompressors, d. h. AD 100% in diesem Beispiel. Wenn das untere Lastkennfeld AD 16% entweder durch Einziehen der Flügel im Diffusor oder durch Ausschalten des Einlaßdralls abgeschaltet ist, bewirkt daher der Kompressor eine Druckwelle. Dies erzeugt eine Rückströmung durch den Kompressor, der die Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß in einem relativ kurzen Zeitraum ausgleicht. Die Druckwelle endet, wenn der Druck vor und hinter dem Kompressor ausgeglichen ist.
  • Während einer Modusumschaltung kann die Druckwellenfunktion nahezu sofort dadurch aktiviert werden, daß das Niedriglastkompressorkennfeld abgeschaltet und der Kompressor zu einem höheren Lastkennfeld umgeschaltet wird, was den Kompressor zu einer Druckwelle veranlaßt. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und dem Kompressortyp kann das Lastkennfeld von einem niedrigen Lastkennfeld, wie etwa AD 16%, zu einem höheren Lastkennfeld oder Vollastkennfeld, wie etwa AD 72% oder AD 100%, umgeschaltet werden. Da der Druck in einem sehr kurzen Zeitraum abgefangen wird, wird das Auftreten von dazwischenliegenden Verbrennungsmodi begrenzt. Diese Lösung kann natürlich mit einem Druckentlastungsventil (oder einem Wastegate), das Überschußdruck zum Motorabgassystem oder zur Umgebungsatmosphäre abläßt, kombiniert werden.
  • Ein Beispiel für einen variablen Kompressor, der ein Kompressorkennfeld unter Verwendung einer EIN/AUS-Funktion aktivieren oder abschalten kann, findet sich in der SAE-Veröffentlichung 200301-0051, die diese Funktion für einen variablen Leitschaufeldiffusor beschreibt.
  • 4 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine Kennlinie für einen Turbokompressor darstellt, wie sie durch Drehzahl, Einlaßtemperatur und Druck bestimmt wird. Der Kompressor weist eine einzige Radialverdichterstufe auf. Die Kopplung des Verdichterrades mit der Last, was bedeutet, daß das Gas gegen einen Betriebsdruck komprimiert wird, hängt von der Beibehaltung der Strömung durch das Verdichterrad ab. Solange es eine nennenswerte Vorwärtsströmung gibt, hat das Verdichterrad das Gas im "Griff". Das heißt, Energie wird vom Verdichterrad auf das Benzin in Form einer erhöhten Geschwindigkeit übertragen, die in einen Betriebsdruck umgewandelt wird, wenn sich das Benzin wieder im Diffusordurchgang verlangsamt. Diese Kopplung hängt von der Beibehaltung eines bestimmten minimalen Vorwärtsströmungsbetrags ab. In 4 ist die Vorwärts- und Rückwärtsströmung durch FF bzw. FB dargestellt.
  • Nunmehr wird angenommen, daß der Abströmungsbedarf progressiv reduziert wird. Der Betriebsdruck steigt auf das Maximum, das vom Kompressor bei dieser Drehzahl erreichbar ist, die als Punkt B dargestellt ist. Dies wird als der Druckwellenpunkt SP bezeichnet. Die Ortskurve des Druckwellenpunktes für alle Kompressordrehzahlen oberhalb und unterhalb der betreffenden Kennlinie wird als Druckwellenlinie SL bezeichnet. Hier ist die Strömung auf ein Minimum gefallen, das das Verdichterrad bewältigen kann, ohne daß das Benzingemisch außer Kontrolle gerät. Eine weitere Verringerung des Abströmungsbedarfs führt nicht mehr zu einem erhöhten Betriebsdruck. Statt dessen verliert das Verdichterrad plötzlich seine Effektivität als Bewegungselement und wird von der Last abgekoppelt. In einem Bruchteil einer Sekunde wird das Gas im Verdichterrad nicht mehr vorwärtsgetrieben, sondern beginnt sich einfach mit dem Verdichterrad im Kreis zu drehen. Die Wirkung ist ähnlich wie bei einem Flugzeugflügel, der überzieht. Das Verdichterrad fungiert nicht mehr als Verdichterrad. Da das Zuleitungsbenzin schnell abebbt, fällt der Arbeitspunkt am Punkt C auf eine Strömung von null ab. Folglich beginnt das Benzin, dessen Volumen vorher hinter dem nachgelagerten Rückschlagventil komprimiert worden ist, rückwärts durch die Zwischenräume um das Verdichterrad herum und sogar durch das Verdichterrad selbst zu entweichen, da der Betriebsdruck, den es durch Zentrifugalkraft allein erzeugen kann, beträchtlich niedriger ist als der, der durch Drehzahl entstand. In dem Diagramm ist der Anfang einer kurzen Strömungsumkehr als Fortsetzung eines Sprungs am Punkt C vorbei zum Punkt D dargestellt, der auf einer theoretischen Verlängerung der normalen Kennlinie zu einer negativen Strömung liegt. Die Verlängerung ist als gestrichelte Linie dargestellt.
  • Dann vermindert sich innerhalb einer kurzen Zeit – etwa eine Sekunde – der Betriebsdruck auf ein Minimum, das das abgekoppelte Verdichterrad nur durch Zentrifugalkraft halten kann, am Punkt E. Dort empfängt das Verdichterrad plötzlich wieder die Last und wirft Benzin nach vorn, bis der Betriebspunkt in der normalen Kennlinie auf Punkt F trifft. Wenn die Leitungsströmung bei einer gegebenen Drehzahl immer noch unter dem Druckwellenpunkt gehalten wird, wiederholt sich der Zyklus in regelmäßigen Intervallen, normalerweise in der Größenordnung von einer Sekunde. Die Druckwelle endet, wenn der Druck vor und hinter dem Kompressor ausgeglichen ist.
  • In dem oben beschriebenen Beispiel ist ein Umschalten zwischen HCCI-Modus und SI-Modus beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch auch auf einen Motor im SI-Modus anwendbar, der von einer Schichtverbrennung zu einer homogenen oder stöchiometrischen Verbrennung umgeschaltet wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche frei variiert werden.

Claims (19)

  1. Brennkraftmaschine, die mit mindestens einem Zylinder (1) versehen ist und aufweist: – ein Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil (2) für jeden Zylinder, durch das Kraftstoff in einen Brennraum (3) eingespritzt wird; – ein steuerbares Mittel zur Ansaugluftladung (C) zum Zuführen von Luft unter Druck zu einem Luftansaugrohr; – eine Steuereinheit (4) zum Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, eines Funkenzündsystems und des Ansaugluftlademittels; – einen Kolben (5) im Motorzylinder, dessen Kompressionsvorgang bewirkt, daß ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff im Brennraum gezündet wird; – mindestens ein Einlaßventil (6) zum Einlassen von Gas, das Frischluft aufweist, in den Zylinder; – mindestens ein Auslaßventil (7) zum Auslassen von verbrannten Gasen aus dem Zylinder; und – mindestens einen Sensor zum Messen eines Motorbetriebsparameters; dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit dafür eingerichtet ist, den Motor aus einem ersten Verbrennungsmodus, der einen höheren Ansaugrohrdruck verwendet, in einen zweiten Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Ansaugrohrdruck verwendet, umzuschalten, und ferner dafür eingerichtet ist, das Ansaugluftlademittel zu steuern, um einen Druckstoß im Ansaugluftlademittel zu verursachen, um den höheren Ansaugrohrdruck zu evakuieren.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit dafür eingerichtet ist, das Ansaugluftlademittel von einem Teillast kennfeld zu einem Kennfeld entsprechend einem höheren Lastkennfeld umzuschalten.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit dafür eingerichtet ist, das Ansaugluftlademittel von einem Teillastkennfeld zu einem Vollastkennfeld umzuschalten.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit dafür eingerichtet ist, den Motor vom ersten Verbrennungsmodus als Antwort auf eine Änderung der Motorlast oder -drehzahl in den zweiten Verbrennungsmodus umzuschalten.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugluftlademittel ein veränderlicher Kompressor ist.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugluftlademittel mit einem veränderlichen Schaufel-Diffusor versehen ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugluftlademittel mit Wirbelumkehrschaufeln versehen ist.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugluftlademittel mit einer veränderlichen Düse versehen ist.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugluftlademittel ein Turbolader-Kompressor ist.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugluftlademittel ein Superladekompressor ist.
  11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verbrennungsmodus ein Homogenladungskompressionszündmodus und der zweite Verbrennungsmodus ein Funkenzündmodus ist.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verbrennungsmodus eine Schichtverbrennung und der zweite Verbrennungsmodus eine homogene Verbrennung ist.
  13. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine, die mindestens einem Zylinder (1) umfasst und aufweist: – ein Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil (2) für jeden Zylinder, durch das Kraftstoff in einen Brennraum (3) eingespritzt wird; – ein steuerbares Mittel zur Ansaugluftladung (C) zum Zuführen von Luft unter Druck zu einem Luftansaugrohr; – eine Steuereinheit (4) zum Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, eines Funkenzündsystems und des Ansaugluftlademittels; – einen Kolben (5) im Motorzylinder, dessen Kompressionsvorgang bewirkt, daß ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff im Brennraum gezündet wird; – mindestens ein Einlaßventil (6) zum Einlassen von Gas, das Frischluft aufweist, in den Zylinder; – mindestens ein Auslaßventil (7) zum Auslassen von verbrannten Gasen aus dem Zylinder; und – mindestens einen Sensor zum Messen eines Motorbetriebsparameters; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Erfassen einer Laständerung, die eine Verbrennungsmodusumschaltung erfordert; – Umschalten des Motors von einem ersten Verbrennungsmodus, der einen höheren Ansaugrohrdruck verwendet, in einen zweiten Verbrennungsmodus, der einen niedrigeren Ansaugrohrdruck verwendet; – Steuern des Ansaugluftlademittels durch Umschalten des Mittels, um einen Druckstoß während der Verbrennungsmodusumschaltung auszulösen; und – Evakuieren von überschüssiger Luft aus dem Ansaugrohr.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Umschalten des Ansaugluftlademittels durch Abschalten eines Teillastkennfeldes.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Umschalten des Ansaugluftlademittels von einem Teillastkennfeld zu einem Vollastkennfeld.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Umschalten eines Ansaugluftlademittels in Form eines veränderlichen Schaufelkompressors durch Steuern der Schaufeln, um einen Druckstoß zu bewirken.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Umschalten des Verbrennungsmodus von einem Homogenladungskompressionszündmodus zu einem Funkenzündmodus.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Umschalten des Verbrennungsmodus von einer Schichtverbrennung zu einer homogenen Verbrennung.
  19. Fahrzeug, das mit einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 versehen ist.
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