DE69929239T2

DE69929239T2 - Verfahren zur regelung der verbrennung in einer brennkraftmaschine und motor mit vorrichtung zur veränderung der effektiven verdichtung

Info

Publication number: DE69929239T2
Application number: DE69929239T
Authority: DE
Inventors: Ingemar Denbratt
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: KR20010093780A; ES2257102T3; SE9803666L; DE69929239D1; SE9803666D0; EP1133626A1; EP1133626B1; JP2002529651A; SE521783C2; KR100679065B1; US6581551B1; WO2000028198A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil und ein Auslassventil, Mittel zum Variieren des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des Zylinders und Mittel zum Zuführen eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Brennkammer aufweist, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 (vgl. WO-A-98 07973).
Die Erfindung bezieht sich ebenso auf einen Viertaktverbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil und ein Auslassventil, Mittel zum Variieren des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des Zylinders sowie Mittel zum Zuführen eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Brennkammer des Zylinders besitzt, nach dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Für eine Verdichtungszündung mit homogener Ladung (homgeneous charge compression ignition – HCCI) in einem Viertaktverbrennungsmotor wird ein homogenes, verdünntes (mit zusätzlicher Luft oder Restgas) Kraftstoff-/Luftgemisch zur Selbstzündung verdichtet. Der Vorteil hiervon verglichen mit zuerst Verdichten der Einlassluft und anschließendem Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer (Dieselverfahren) ist, dass das gesamte Kraftstoff-/Luftgemisch simultan und nicht sukzessive wie bei einer Flammenfront, die durch die Brennkammer von einer Zündkerze oder einem Injektor fortschreitet, verbrennt. Dies erzeugt eine homogene Temperatur in der Brennkammer, was es wiederum ermöglicht, beispielsweise in einem ungedrosselten Ottomotor bei Teillast die Effizienz des Dieselmotors zu erreichen, jedoch ohne die hohen Stickoxid- und Partikelemissionen des Dieselmotors. Die Stickstoffemissionen können von ca. 100 ppm auf nur 10 bis 20 ppm vermindert werden. Die Partikelemissionen des Dieselmotors können auf dasselbe Niveau wie diejenigen des Ottomotors vermindert werden. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, die Verbrennung zu steuern, da sie kinetisch gesteuert wird. Falls das Gemisch zu fett ist, wird die Energie zu schnell freigesetzt werden (Klopfen), und falls es zu mager ist, wird die Zündung unmöglich gemacht werden. In einem HCCI-Ottomotor mit Benzin als Kraftstoff ist eine hohe und gesteuerte Temperatur erforderlich, um eine Selbstzündung zu erzielen, und dies kann mit einem hohen Verdichtungsverhältnis und/oder durch Erwärmen der Einlassluft erzielt werden. In einem HCCI-Dieselmotor mit Dieselöl als Kraftstoff sind niedrigere Temperaturen als bei einem normalen Dieselmotor erforderlich, was bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis abgesenkt werden muss.
Die Schwierigkeit bei HCCI-Motoren war bisher, die Zündungsverzögerung (die Zylindertemperatur) auf solche Weise zu steuern, dass die Verbrennung korrekt um den oberen Totpunkt bei verschiedenen Drehzahlen und -lasten positioniert ist, und dies hat den Einsatzbereich von solchen Motoren stark vermindert. Insbesondere Steuerprobleme während Übergängen, bei denen die Zylindertemperatur von einem Zyklus zum nächsten überprüft werden muss, haben den Einsatzbereich von HCCI-Motoren auf beispielsweise Generatoren beschränkt, bei denen die Antriebseinheit mit sehr geringen Variationen der Drehzahl und Last arbeitet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur in den Zylindern in einem HCCI-Motor bereitzustellen, sodass die Zündungszeit bei verschiedenen Motordrehzahlen und -lasten korrekt sein wird, wodurch es praktisch möglich gemacht wird, HCCI-Motoren in Motorfahrzeugen einzusetzen, wodurch ihr Kraftstoffverbrauch und ihre Emissionen vermindert werden.
Dies wird gemäß der Erfindung mittels der Merkmale von Anspruch 1 erzielt.
Eine vollständige Freiheit der Ventilsteuerung, sodass die Öffnungs- und Schließzeit ebenso frei von Zyklus zu Zyklus gesteuert werden kann, kann durch Einsatz elektromagnetisch betätigter Ventile erreicht werden. Das Verdichtungsverhältnis kann auf bekannte Weise mittels der Tatsache variiert werden, dass der Motorzylinder mit einem zusätzlichen Zylinder kommuniziert, der einen beweglichen Kolben enthält, mittels dessen das Gesamtvolumen der Brennkammer variiert werden kann.
Ein HCCI-Motor, der in der Lage sein muss, innerhalb eines breiten Drehzahlbereichs zu arbeiten, beispielsweise mit einer oberen Drehzahlgrenze von etwa 6.000 U/min, ist bevorzugt mit einem Zündsystem ausgestattet, das derart gesteuert wird, dass es innerhalb dem unteren Drehzahlbereich deaktiviert wird, dessen obere Grenze zwischen 3.000 und 4.000 U/min liegen kann. Wenn diese Grenze überschritten wird, wird das Zündsystem aktiviert, während gleichzeitig die Steuerung des Einlassventils verändert wird und das Verdichtungsverhältnis auf einen normalen Motorbetrieb vermindert wird.
Ein Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Art der auf die oben beschriebene Weise zu steuern ist, ist durch die Merkmale nach Anspruch 6 gekennzeichnet.
Das Verfahrengemäß der Erfindung wird nachfolgend unter. Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen beschrieben, wobei 1 bis 4 schematisch einen Zylinder mit zugehörigem Kolben in einem Viertaktverbrennungsmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis zeigt.
In 1 bezeichnet 1 einen Zylinder in dem Motorblock eines Viertaktverbrennungsmotors, der in dem gezeigten Beispiel ein Ottomotor ist, welcher eine in die Brennkammer 3 hervorstehende Zündkerze 2 besitzt. Der Zylinder 1 besitzt einen Kolben 4, der über eine Pleuelstange 5 mit einem Hub 6 an der Kurbelwelle 7 verbunden ist. Die Brennkammer 3 besitzt einen Einlass 8 zum Zuführen des Kraftstoff-/Luftgemisches. Ein Einlassventil 9 ist in der Einlassöffnung der Brennkammer angeordnet. Ein Auslassventil (nicht gezeigt) ist in einer Auslassöffnung zu der Auslassleitung angeordnet.
Das Öffnen und Schließen des Einlassventils 9 wird elektromagnetisch mithilfe einer elektromagnetischen Vorrichtung 12 gesteuert. Das Ventil kann von einer an sich bekannten Art sein, mit einer Ventilspindel, die mit einer zwischen zwei Elektromagneten gelegenen Metallscheibe verbunden ist. Die Elektromagneten werden abwechselnd magnetisiert, und die Metallscheibe wird zu demjenigen Magneten gezogen, der gegenwärtig magnetisiert ist. Mit elektromagnetisch gesteuerten Ventilen dieser bekannten Art kann der Öffnungsgrad der Ventile frei gesteuert werden, sowohl von Zyklus zu Zyklus als auch für einzelne Zylinder. Die Zündkerze 2 ist mit einem Zündsystem 14 mit einer Steuereinheit verbunden, in die unter anderem Signale zugeführt werden, welche die Motordrehzahl und die Gaspedalposition darstellen, zum Steuern der Zündung als Funktion der Motordrehzahl und der -last. Die Elektromagneten des Ventils 9 werden durch eine Steuereinheit 15 gesteuert, in die ein Signal von einem Sensor (nicht gezeigt) zugeführt wird, der direkt oder indirekt den Druck P in der Zylinderkammer misst, und/oder ein Signal zugeführt wird, das den Ionenstrom darstellt. Dieses Signal kann mit der Zündkerze als Sensor erhalten werden.
Die Steuereinheit 15 steuert ebenso das Verdichtungsverhältnis in dem Zylinder 1 durch Regeln der Position eines Kolbens 16 in einem Zylinder 17, der mit dem Zylinder 1 kommuniziert. Die Position des Kolbens 16 in dem Zylinder wird durch Betätigungsmittel 18 gesteuert, die beispielsweise von der in SE-A-405993 gezeigten und beschriebenen Art sein können.
1 bis 4 zeigen einen HCCI-Betrieb, d.h. das Zündsystem wird deaktiviert und die Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches, das zu der Brennkammer 3 zugeführt wird, wird durch Selbstzündung während der Verdichtung des Gemisches bewirkt. 1 veranschaulicht die Position des Kolbens 16 bei maximalem Verdichtungsverhältnis und die Position IS des Kolbens 4, wenn das Einlassventil 9 während des Verdichtungshubes bei niedriger Last und hoher Drehzahl innerhalb des unteren Drehzahlbereichs (d.h. bis zu ca. 3.000 bis 4.000 U/min) schließt. Während eines Übergangszustands zu höherer Last und niedrigerer Drehzahl von dem Betriebszustand in 1, wird das effektive Verdichtungsverhältnis vermindert, zuerst durch Zurückziehen des Kolbens 16, wie durch den Pfeil angegeben, sodass das geometrische Verdichtungsverhältnis vermindert wird, und zweitens durch Verzögern des Schließens des Einlassventils 9. In 3 ist die Position IS des Kolbens 4 veranschaulicht, wenn das Einlassventil 9 bei höherer Last und niedriger Drehzahl schließt. Wie ein Vergleich zeigen wird, ist die Schließzeit annähernd dieselbe wie für den Zustand in 1. allerdings wurde das Verdichtungsverhältnis vermindert, indem der Kolben 16 zurückgezogen wurde, um das Gesamtvolumen der Brennkammer zu erhöhen. Während eines Übergangs zu niedrigerer Last und höherer Drehzahl (4) von dem Betriebszustand in 3 wird das effektive Verdichtungsverhältnis erhöht, und zwar zuerst durch Vorwärtsbewegen des Kolbens 16, wie durch den Pfeil an dem Kolben 16 angegeben, sodass das geometrische Verdichtungsverhältnis zunimmt, und zweitens durch früheres Schließen des Einlassventils 9. IN 4 schließt das Einlassventil 9 an dem unteren Totpunkt des Kolbens 4.
Wenn die Drehzahl die obere Grenze des unteren Drehzahlbereichs überschreitet, d.h. bei ca. 4.000 U/min für ein Personenfahrzeug mit einer maximalen Drehzahl von etwa 6.000 bis 8.000 U/min wird die Steuerung zu einem normalen Ottomotorbetrieb umgeschaltet, d.h. mit einem normalen Verdichtungsverhältnis und einer normalen Ventilüberdeckung, während gleichzeitig das Zündsystem aktiviert wird. Dieses Umschalten tritt ebenso auf, wenn die Motorlast 50 bis 70% der maximalen Motorlast überschreitet. Ein „normales" Verdichtungsverhältnis kann 8 bis 10 : 1 betragen und das maximale Verdichtungsverhältnis im HCCI-Betrieb beträgt etwa 16 bis 20 : 1.
Das effektive Verdichtungsverhältnis kann durch Variieren des geometrischen Verdichtungsverhältnisses oder durch Variieren des Zeitpunkts, zu welchem das Einlassventil schließt, oder durch eine Kombination der beiden reguliert werden. Das Auslassventil (nicht gezeigt) kann elektromagnetisch betätigt werden, wie das Einlassventil, da jedoch die Steuerung während des HCCI-Betriebes eine variable Ventilsteuerung für das Auslassventil nicht erfordert, kann dies auf herkömmliche Weise durch Nockenwellen gesteuert werden.

Claims

Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer (3) eines Viertaktverbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder (1), der mindestens ein Einlassventil (9) und ein Auslassventil (11), Mittel (16, 17, 18) zum Variieren des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des Zylinders, und Mittel zum Zuführen eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Brennkammer aufweist, wobei das Verdichtungsverhältnis und das Schließen des Einlassventils (9) derart gesteuert werden, dass das Gemisch, zumindest innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs, zur Selbstzündung verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis und das Schließen des Einlassventils (9) derart gesteuert werden, dass bei niedrigen Lasten und hoher Motordrehzahl das Verdichtungsverhältnis höher sein wird und die Ventile früher schließen werden als bei hohen Lasten und niedriger Motordrehzahl, dass das Verdichtungsverhältnis vermindert wird und das Schließen des Ventils später eingestellt wird in Übergangszuständen zu hoher Last und niedriger Motordrehzahl, und dass das Verdichtungsverhältnis erhöht wird und das Ventil früher geschlossen wird in Übergangszuständen zu niedriger Last und hoher Motordrehzahl.
Verfahren nach Anspruch 1 beim Steuern des Verbrennungsvorgangs in einem Verbrennungsmotor mit Mitteln (2, 14) zur Funkenzündung des Kraftstoff-/Luftgemisches in der Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenzündungsmittel (2, 14) innerhalb des unteren Motordrehzahlbereichs deaktiviert gehalten werden und aktiviert werden, wenn die Drehzahl des Motors die obere Grenze des unteren Motordrehzahlbereichs zu der Zeit überschreitet, wenn das geometrische Verdichtungsverhältnis zu einem niedrigen Niveau gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Einlassventil (9) durch elektromagnetische Mittel (12) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Benzin als Kraftstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis und das Schließen des Einlassventils (9) derart gesteuert werden, dass das höchste effektive Verdichtungsverhältnis annähernd das Doppelte des niedrigsten effektiven Verdichtungsverhältnisses ist.
Viertaktverbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil und ein Auslassventil, Mittel zum Variieren des geometrischen Verdichtungsverhältnis des Zylinders und Mittel zum Zuführen eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches zu der Brennkammer des Zylinders besitzt, wobei zumindest das Einlassventil variable Ventilzeiten besitzt und Steuermittel (12, 15, 18) angeordnet sind, um den Öffnungsgrad des Einlassventils (9) und das Verdichtungsverhältnis des Zylinders (1) als Funktion der Motordrehzahl und -last derart zu steuern, dass das Gemisch zumindest innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs zur Selbstzündung verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (12, 15, 18) angeordnet sind, um das geometrische Verdichtungsverhältnis und das Schließen des Einlassventils derart zu steuern, dass bei niedrigen Lasten und hoher Motordrehzahl das Verdichtungsverhältnis höher wird und das Ventil früher schließt als bei hohen Lasten und niedriger Motordrehzahl, dass das Verdichtungsverhältnis vermindert wird und das Ventil später schließt in Übergangszuständen zu hoher Last und niedriger Motordrehzahl und dass das Verdichtungsverhältnis angehoben wird und das Ventil früher schließt in Übergangszuständen zu niedriger Last und hoher Motordrehzahl.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (9) und die Mittel zum Variieren der geometrischen Verdichtung der Zylinder (1) Betätigungsmittel (12, 18) besitzen, die mit einer Steuereinheit (15) gekoppelt sind, welche die Betätigungsmittel als Funktion verschiedener, in die Steuereinheit zugeführter Steuersignale steuert.
Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (9) elektromagnetische Betätigungsmittel (12) besitzt.
Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) mit einem Ionenstromsignalsensor, der in der Brennkammer (3) angeordnet ist, und mit einem Tachometer verbunden ist.
Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) mit einem Drucksignalsensor verbunden ist, der in der Brennkammer (3) angeordnet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 10 mit einem Zündsystem (2, 14), umfassend zumindest eine Zündkerze (2) für jeden Zylinder und ein Zündsteuergerät (14), das mit einem Tachometer und einem Gaspedalpositionssensor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsteuergerät (14) vorgesehen ist, um die Zündkerze (2) innerhalb des unteren Motordrehzahlbereichs deaktiviert zu halten und die Zündkerze zu aktivieren, wenn die Motordrehzahl die obere Grenze des unteren Motordrehzahlbereichs überschreitet, und dass die Steuereinheit (15) angeordnet ist, um dann zuerst das Einlassventil (9) und das Auslassventil derart zu steuern, dass das Einlassventil beginnt, sich zu öffnen, bevor das Auslassventil vollständig geschlossen ist, und um zweitens das geometrische Verdichtungsverhältnis zu einem niedrigen Niveau zu steuern.