EP1541839A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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EP1541839A1 EP03104619A EP03104619A EP1541839A1 EP 1541839 A1 EP1541839 A1 EP 1541839A1 EP 03104619 A EP03104619 A EP 03104619A EP 03104619 A EP03104619 A EP 03104619A EP 1541839 A1 EP1541839 A1 EP 1541839A1
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    • F02D41/006—Controlling exhaust gas recirculation [EGR] using internal EGR

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with at least a four-stroke cylinder with controlled auto-ignition and Spark ignition, the four-stroke cylinder at least in a controlled Auto-ignition mode is operable.
  • the internal combustion engine is, for example, a gasoline engine with one or more Four-stroke cylinders.
  • Gasoline engines are mainly using a stoichiometric Mixture operated, which allows aftertreatment of exhaust gases.
  • the stoichiometric operation may be by a lean operation, either by a homogeneous or stratified mixture can be reduced by direct injection.
  • nitrogen oxide (NOx) emissions can be controlled by conventional three-way catalytic converters (TWC) are not treated. Because of this were Lean nitric oxide (LNT) storage systems that treat the lean exhaust gas can.
  • LNT Lean nitric oxide
  • Controlled auto-ignition in four-stroke gasoline engines is a new development which is constantly evolving with a rapidly changing state of the art.
  • WO 01/46571 and WO 01/46573 each relate to a method of operation a four-stroke internal combustion engine in which the combustion with a Autoignition is achieved.
  • the internal combustion engine has a Spark plug for spark ignition to, in particular at the first ignition of Internal combustion engine to supplement the Seibstzündungsvon.
  • the auto-ignition only in partial load ranges / low speed ranges used while the spark ignition at full load / high Speed ranges is used.
  • US 6,082,342 discloses a method of controlling auto-ignition in four-stroke engines disclosed. The conventional spark is during the Auto-ignition operation maintained.
  • Valve gear provides an early exhaust valve closing (EEVC) and a late one Inlet valve opening (LIVO) available to residual gas with minimal heat loss to hold back in the combustion chamber.
  • EEVC early exhaust valve closing
  • LIVO Inlet valve opening
  • the invention is based on the object, an improved method of operation an internal combustion engine, in particular a gasoline engine available which continues to operate after a misfire occurring during CAI operation can be.
  • this is achieved in that the four-stroke cylinder after a CAI operating misfire following misfire Cycle is re-ignited in a spark ignition mode.
  • FIG 2 the inventive method for operating a Internal combustion engine with at least a four-stroke cylinder with controlled Autoignition (CAI) and spark ignition are shown, with the four-stroke cylinder is operable at least in a controlled auto-ignition mode.
  • Figure 2 represents Cycles n-4 to n-1 represent a normal CAI mode with normal ignition and show normal moment.
  • the normal ignition is each with a dicklin faced Square 1, in which a ratio of fresh fuel / air mixture 2 and residual gas 3 is located.
  • the fresh fuel / air mixture 2 is included obliquely hatched, wherein the residual gas 3 is marked as a bar.
  • the CAl mode requires compliance with certain limits, such as one relatively high residual gas content and a certain temperature of the mixture. Provided the certain limits are exceeded, it comes to a misfire.
  • the Misfire is indicated in Figure 2 with n (arrow 4). The time is by means of the arrow 5 shown.
  • n + 1 In a cycle n + 1 is clearly shown that the residual gas content 3 based on the fresh fuel / air mixture proportion 2 is less.
  • cycle n + 1 the Four-stroke cylinder re-ignited by spark ignition.
  • the cycle n + 2 returns the four-stroke engine returns to CAI mode.
  • the four-stroke cylinder runs in this mode, as clearly shown by the cycles n + 3 and n + 4.
  • Cycles n-1 through n-4 each precede misfire Cycle, where n + 1 to n + 4 each have a cycle following the misfire represent.
  • the four-stroke cylinder is operated at moderate load and engine speeds, wherein a significant proportion of residual gas 3 from the previous cycle is deposited or recycled, thereby initiating the CAI.
  • the four-stroke cylinder After re-ignition of the four-stroke cylinder, it returns to CAI mode back. Thus, the four-stroke cylinder is only briefly in a cycle in the Spark ignition mode operated. Appropriately, the four-stroke cylinder returns back to CAI mode in the cycle following the re-ignition cycle, and will continue to operate in this.
  • the re-ignition cycle is in FIG. 2 exemplified as n + 1, with the subsequent cycle exemplified as n + 2 is designated.
  • the misfire is advantageous to only one cycle limited because all cycles following the re-ignition cycle (n + 2, n + 3 ...) to ignite in CAI mode.
  • the four-stroke cylinder after a misfire in CAI mode does not fail, but by means of Spark ignition is re-ignited and then returns to CAI mode. This is done with a suitable control of the ignition and the injected Fuel quantity reached.
  • the execution of the engine with Direct injection is a layered injection of fuel, which is a Ignition even at high air excess allowed and so the constant maintenance of the engine torque without changing the engine throttling allows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Vier-Takt-Zylinder mit kontrollierter Selbstzündung und Funkenzündung. Der Vier-Takt-Zylinder ist zumindest in einem kontrollierten Selbstzündungsmodus betreibbar ist. Der Vier-Takt-Zylinder wird nach einer im kontrollierten Selbstzündungsmodus auftretenden Fehlzündung in einem auf die Fehlzündung folgenden Zyklus in einem Funkenzündungsmodus wiedergezündet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Vier-Takt-Zylinder mit kontrollierter Selbstzündung und Funkenzündung, wobei der Vier-Takt-Zylinder zumindest in einem kontrollierten Selbstzündungsmodus betreibbar ist.
Der Verbrennungsmotor ist zum Beispiel ein Ottomotor mit einem oder mehreren Vier-Takt-Zylindern. Ottomotoren werden hauptsächlich mit einer stoichiometrischen Mischung betrieben, die eine Nachbehandlung von Abgasen ermöglicht. Der Kraftstoffverbrauchsverlust bei Teillast im Zusammenhang mit einer Drosselung und dem stoichiometrischen Betrieb kann durch einen Magerbetrieb, entweder durch eine homogene oder geschichtete Mischung mittels Direkteinspritzung reduziert werden. In beiden Fällen kann die Stickoxidemission (NOx) mittels konventioneller Drei-Wege-Katalysatoren (TWC) nicht behandelt werden. Aus diesem Grund wurden magere Stickoxidspeicher (LNT) entwickelt, die das magere Abgas behandeln können. Nachteilig bei diesen LNT-basierten Systemen ist, daß diese wesentlich teurer sind als konventionelle TWC.
Magermotoren mit extrem niedrigen Stickoxidemissionen, die eine teure LNT-Nachbehandlung unnötig machen wurden ebenfalls vorgestellt. Dies wurde durch die kontrollierte Selbstzündung (Controlled Autoignition CAI) in modifizierten Serienmotoren erreicht. Hierzu wurden zwei Vorschläge veröffentlicht ( Oakley et al. SAE Technical Paper 2001-01-1030 und Law et al. SAE Technical Paper 2001-01-251). Bei beiden Vorschlägen wurde dies erreicht, indem eine Ventilsteuerung benutzt wurde, die den Betrieb des Motors mit einem hohen Restgasanteil ermöglicht.
Die kontrollierte Selbstzündung in Vier-Takt-Ottomotoren ist eine neue Entwicklung, die mit einem schnell wechselnden Stand der Technik laufend weiterentwickelt wird.
Die WO 01/46571 und die WO 01/46573 betreffen jeweils ein Verfahren zum Betrieb eines Vier-Takt-Verbrennungsmotors in dem die Verbrennung mit einer Selbstzündung erreicht wird. Zusätzlich weist der Verbrennungsmotor eine Zündkerze zur Funkenzündung auf, um insbesondere bei der ersten Zündung des Verbrennungsmotors das Seibstzündungsverfahren zu ergänzen. Vorzugsweise wird die Selbstzündung lediglich in Teillastbereichen/geringen Drehzahlbereichen eingesetzt, während die Funkenzündung bei Volllastbereichen/hohen Drehzahlbereichen eingesetzt wird.
In der US 6,082,342 wird ein Verfahren zur Steuerung der Selbstzündung in Vier-Takt-Motoren offenbart. Der konventionelle Zündfunke wird während des Selbstzündungsbetriebs aufrechterhalten.
In Zwei-Takt-Ottomotoren ist die CAl Technologie bekannt, und wurde zum Beispiel in Motorrad-Motoren angewandt. Um den CAI-Betrieb zu erreichen, ist aus dieser Erfahrung heraus bekannt, daß hohe interne Abgasrückführungsverhältnisse (interne EGR) und hohe Gemischtemperaturen am Ende eines Verdichtungshubes notwendig sind. Als Ergebnis wurde angenommen, daß zum Erreichen einer CAI in einem Vier-Takt-Motor komplexe Gemischwärmevorrichtungen notwendig sind, welche die Reaktionsfähigkeit des Motors in transienten Betriebszuständen hemmen können.
Es wurde auch vorgeschlagen, daß ein Vier-Takt CAI-Betrieb möglich sein müßte, indem eine Direkteinspritzung und ein gänzlich variabler Ventiltrieb benutzt wird. Der Ventiltrieb stellt ein frühes Auslaßventilschließen (EEVC) und ein spätes Einlaßventilöffnen (LIVO) zur Verfügung, um Restgas mit minimalem Wärmeverlust im Brennraum zurück zu halten.
Diese Technologie wurde in EU-Projekten weiter untersucht. Das Ford Konsortium (Oakley et al., 2001) und andere (Law et al., 2001) zeigten, daß ein stabiler CAl-Betrieb mit einer Art Nockensteuerung über einen nutzbaren Drehzahl/Lastbereich möglich ist. Dies wurde mit wenig veränderten Motoren mit einer konventionellen Kraftstoffeinspritzung (PFI) und konventioneller Verdichtungsverhältnisse (CR) erreicht.
Während des CAI-Betriebes kann die Zündung üblicher Weise ausgeschaltet werden. Der CAI-Betrieb erfordert die Einhaltung bestimmter Grenzwerte, wie zum Beispiel einen relativ hohen Restgasanteil und eine bestimmte Temperatur des Gemisches, die von der Gemischzusammensetzung abhängt. Sinken die beispielhaft genannten Faktoren unter den geforderten Grenzwert, kann dies zu einer Fehlzündung führen. Eine Fehlzündung führt dazu, daß der Vier-Takt-Zylinder permanent ausfällt, da die vorgeheizten Restgase für die folgenden Motorzyklen nicht bereitstehen. Einen solchen Fall stellt Figur 1 dar. In Figur 1 sind Zyklen n-4 bis n-1 dargestellt, die einen normalen CAI-Betrieb zeigen. Dieser ist jeweils mit einem dicklinierten Quadrat dargestellt, in dem ein Mischungsverhältnis von frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch und Restgas eingezeichnet ist. Das frische Kraftstoff/Luft-Gemisch ist dabei schräg schraffiert, wobei das Restgas als Balken gekennzeichnet ist. Sofern die o.g. Grenzwerte unterschritten sind, kommt es zu einer Fehlzündung. Diese ist in Figur 1 mit n bezeichnet. Der Vier-Takt-Zylinder ist weiter im CAI-Betrieb. In den Zyklen n+1 bis n+4 ist deutlich dargestellt, daß der Restgasanteil bezogen auf den frischen Kraftstoff/Luft-Gemisch Anteil immer geringer wird, wobei in den Zyklen n+3 und n+4 kein Restgasanteil mehr vorhanden ist. Dies führt dazu, daß der Vier-Takt-Zylinder ausfällt. Die Zyklen n-1 bis n-4 stellen jeweils einen vor der Fehlzündung durchgeführten Zyklus dar, wobei n+1 bis n+4 jeweils einen auf die Fehlzündung folgenden Zyklus darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors zur Verfügung zu stellen, der nach einer im CAI-Betrieb auftretenden Fehlzündung weiter betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Vier-Takt-Zylinder nach einer im CAI-Betrieb auftretenden Fehlzündung in einem auf die Fehlzündung folgenden Zyklus in einem Funkenzündungsmodus wiedergezündet wird.
Damit wird ein Verbrennungsmotor mit einem Vier-Takt-Zylinder zur Verfügung gestellt, der nach einer im CAI-Betrieb auftretenden Fehlzündung durch Zündung eines auf den der Fehlzündung folgenden Zyklus im Funkenbetrieb wiedergezündet wird und weiter betrieben werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart und in der zu Figur 2 folgenden Figurenbeschreibung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
schematisch einen üblichen CAI-Betrieb,
Fig. 2
schematisch einen CAI-Betrieb mit einem Wiederzünden in einem Funkenzündungsmodus.
In Figur 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Vier-Takt-Zylinder mit kontrollierter Selbstzündung (CAI) und Funkenzündung dargestellt, wobei der Vier-Takt-Zylinder zumindest in einem kontrollierten Selbstzündungsmodus betreibbar ist. Figur 2 stellt Zyklen n-4 bis n-1 dar, die einen normalen CAI-Modus mit normaler Zündung und normalem Moment zeigen. Die normale Zündung ist jeweils mit einem dicklinierten Quadrat 1 dargestellt, in dem ein Verhältnis von frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch 2 und Restgas 3 eingezeichnet ist. Das frische Kraftstoff/Luft-Gemisch 2 ist dabei schräg schraffiert, wobei das Restgas 3 als Balken gekennzeichnet ist. Der CAl-Modus erfordert die Einhaltung bestimmter Grenzwerte, wie zum Beispiel einen relativ hohen Restgasanteil und eine bestimmte Temperatur des Gemisches. Sofern die bestimmten Grenzwerte unterschritten sind, kommt es zu einer Fehlzündung. Die Fehlzündung ist in Figur 2 mit n (Pfeil 4) bezeichnet. Die Zeit ist mittels des Pfeils 5 dargestellt.
In einem Zyklus n+1 ist deutlich dargestellt, daß der Restgasanteil 3 bezogen auf den frischen Kraftstoff/Luft-Gemisch Anteil 2 geringer ist. In dem Zyklus n+1 wird der Vier-Takt-Zylinder mittels Funkenzündung wiedergezündet. In dem Zyklus n+2 kehrt der Vier-Takt-Motor wieder in den CAI-Modus zurück. Der Vier-Takt-Zylinder läuft in dieser Betriebsart weiter, wie aus den Zyklen n+3 und n+4 deutlich hervorgeht.
Die Zyklen n-1 bis n-4 stellen jeweils einen vor der Fehlzündung vorhergehenden Zyklus dar, wobei n+1 bis n+4 jeweils einen auf die Fehlzündung folgenden Zyklus darstellen.
Der Vier-Takt-Zylinder wird bei moderaten Last- und Motorendrehzahlen betrieben, wobei ein erheblicher Anteil von Restgas 3 aus dem vorhergehenden Zyklus abgeschieden oder zurückgeführt wird, wodurch die CAI initiiert wird.
Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Zündung während des CAI-Modus angeschaltet bleibt. Hierbei wird eine Vorzündungseinstellung derart gewählt, daß die Zündung derart optimiert wird, daß im Falle der Funkenzündung das gleiche Motordrehmoment erreicht wird wie im CAI-Betrieb.
Nach dem Wiederzünden des Vier-Takt-Zylinders kehrt dieser in den CAI-Modus zurück. Somit wird der Vier-Takt-Zylinder lediglich kurzzeitig in einem Zyklus in dem Funkenzündungsmodus betrieben. Zweckmäßiger Weise kehrt der Vier-Takt-Zylinder in dem auf den Wiederzündungszyklus folgenden Zyklus in den CAI-Modus zurück, und wird in diesem weiterbetrieben. Der Wiederzündungszyklus ist in Figur 2 beispielhaft als n+1 bezeichnet, wobei der darauf folgende Zyklus beispielhaft als n+2 bezeichnet ist. Damit wird die Fehlzündung vorteilhaft auf lediglich einen Zyklus beschränkt, da alle auf den Wiederzündungszyklus folgenden Zyklen (n+2, n+3 ...) im CAI-modus zünden werden.
Um sicherzustellen, daß die Zündung des Gemisches bei dem auf die Fehlzündung folgenden Zyklus erfolgreich ist, ist es im Sinne der Erfindung günstig, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis angepaßt wird, indem mehr Kraftstoff in den Vier-Takt-Zylinder eingespritzt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß der Vier-Takt-Zylinder nach einer Fehlzündung im CAI-Modus nicht ausfällt, sondern mittels Funkenzündung wiedergezündet wird und sodann in den CAI-Modus zurückkehrt. Dies wird mit einer geeigneten Steuerung der Zündung und der eingespritzten Kraftstoffmenge erreicht. Insbesondere kann im Falle der Ausführung des Motors mit Direkteinspritzung eine geschichtete Einspritzung des Kraftstoffes erfolgen, die eine Fremdzündung auch bei hohem Luftüberschuß erlaubt und so die Konstanthaltung des Motordrehmomentes ohne Änderung der Motordrosselung ermöglicht.
Bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wurde lediglich ein Vier-Takt-Zylinder eines Ottomotors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben. Selbstverständlich können auch Ottomotoren mit mehreren Vier-Takt-Zylindern mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden. Zudem können auch andere Motorarten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Vier-Takt-Zylinder mit kontrollierter Selbstzündung und Funkenzündung, wobei der Vier-Takt-Zylinder zumindest in einem kontrollierten Selbstzündungsmodus betreibbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Vier-Takt-Zylinder nach einer im kontrollierten Selbstzündungsmodus auftretenden Fehlzündung in einem auf die Fehlzündung folgenden Zyklus in einem Funkenzündungsmodus wiedergezündet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Vier-Takt-Zylinder bei moderaten Last- und Motordrehzahlen betrieben wird, wobei ein erheblicher Anteil von Restgas (3) aus einem der Fehlzündung vorhergehenden Zyklus zurückgeführt wird, so daß die kontrollierte Selbstzündung initiiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Zündung während des kontrollierten Selbstzündungsmodus angeschaltet bleibt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    gekennzeichnet durch
    eine derart gewählte Vorzündungseinstellung, daß die Zündung derart optimiert wird, daß im Falle der Funkenzündung das gleiche Motordrehmoment erreicht wird wie im CAl-Betrieb.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Vier-Takt-Zylinder nach der Wiederzündung in den kontrollierten Selbstzündungsmodus zurückkehrt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Kraftstoff/Luft Verhältnis derart angepaßt wird, indem Kraftstoff in den Vier-Takt-Zylinder eingespritzt wird, daß die Zündung bei dem auf die Fehlzündung folgenden Zyklus erfolgreich ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Wiederzündungszyklus im Falle der Ausführung des Motors mit Direkteinspritzung eine geschichtete Einspritzung des Kraftstoffes kurz vor der Zündung erfolgt.
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