EP1541839B1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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EP1541839B1 EP20030104619 EP03104619A EP1541839B1 EP 1541839 B1 EP1541839 B1 EP 1541839B1 EP 20030104619 EP20030104619 EP 20030104619 EP 03104619 A EP03104619 A EP 03104619A EP 1541839 B1 EP1541839 B1 EP 1541839B1
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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 having at least one four-stroke cylinder with controlled auto-ignition and spark ignition, wherein the four-stroke cylinder is operable at least in a controlled auto-ignition mode, having the features of the preamble of claim 1.
  • the internal combustion engine is, for example, a gasoline engine with one or more four-stroke cylinders.
  • Gasoline engines are mainly operated with a stoichiometric mixture, which allow aftertreatment of exhaust gases.
  • the fuel consumption loss at part load associated with throttling and stoichiometric operation may be reduced by lean operation, either by a homogeneous or stratified mixture by direct injection.
  • nitrogen emissions (NOx) can not be treated by conventional three-way catalysts (TWC).
  • TWC three-way catalysts
  • LNT lean nitrogen separators
  • the disadvantage of these LNT-based systems is that they are much more expensive than conventional TWCs.
  • the controlled auto-ignition in four-stroke gasoline engines is a new development, which is constantly being developed with a rapidly changing state of the art.
  • the WO 01/46571 and the WO 01/46573 each relate to a method for operating a four-stroke internal combustion engine in which the combustion is achieved with a self-ignition.
  • the internal combustion engine has a spark plug for spark ignition in order to supplement the auto-ignition process, in particular during the first ignition of the internal combustion engine.
  • the autoignition is used only in partial load ranges / low speed ranges, while the spark ignition is used at full load ranges / high speed ranges.
  • deterioration of the combustion may be registered so that the combustion is very quickly switched from the auto-ignition mode to the spark ignition. This is intended to prevent deterioration of the exhaust gas cleaning performance even during the auto-ignition mode.
  • valvetrain provides early exhaust valve closing (EEVC) and late intake valve opening (LIVO) to separate residual gas in a combustion chamber with minimal heat loss.
  • EEVC early exhaust valve closing
  • LIVO late intake valve opening
  • EP 1 201 903 A1 a method of controlling the combustion process in a four-stroke engine having means for spark ignition, intake and exhaust valves in at least one cylinder.
  • the spark igniters are activated or deactivated, with the exhaust valve being transitioned from an early close before the piston reaches its top dead center to a late close (near top dead center).
  • the exhaust valve closes much earlier than in the previous cycle, so that the fuel-air mixture is heated due to the residual gases.
  • the fresh fuel / air mixture is obliquely hatched, the residual gas is characterized as a bar. If the above limits are exceeded, it will be a misfire. This is in FIG. 1 denoted by n.
  • the four-stroke cylinder is still in CAI mode.
  • n + 1 to n + 4 is clearly shown that the proportion of residual gas relative to the fresh fuel / air mixture proportion is always lower, with no residual gas content is present in the cycles n + 3 and n + 4. This causes the four-stroke cylinder to fail.
  • the cycles n-1 to n-4 respectively represent a cycle performed before the misfire, where n + 1 to n + 4 each represent a cycle following the misfire.
  • the invention has for its object to provide an improved method for operating an internal combustion engine, in particular a gasoline engine available, which can continue to operate after a misfire occurring in CAI operation.
  • an internal combustion engine with a four-stroke cylinder which is re-ignited after a occurring in CAI operation misfire by igniting a following on the misfire cycle in the spark mode and can continue to operate.
  • FIG. 2 For example, the inventive method of operating an internal combustion engine having at least one four-stroke controlled auto-ignition (CAI) cylinder and spark ignition is illustrated, wherein the four-stroke cylinder is operable at least in a controlled auto-ignition mode.
  • FIG. 2 represents cycles n-4 to n-1, which show a normal CAI mode with normal ignition and normal torque.
  • the normal ignition is shown in each case with a dickliniertem 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 obliquely hatched, wherein the residual gas 3 is marked as a bar.
  • the CAI mode requires compliance with certain limits, such as a relatively high level of residual gas and a certain temperature of the mixture. If the specified limits are exceeded, there is a misfire.
  • the misfire is in FIG. 2 denoted by n (arrow 4).
  • the time is shown by the arrow 5.
  • 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 lower.
  • the four-stroke cylinder In the cycle n + 1, the four-stroke cylinder is re-ignited by spark ignition.
  • the four-stroke engine In cycle n + 2, the four-stroke engine returns to CAI mode. The four-stroke cylinder continues to operate in this mode, as clearly indicated by cycles n + 3 and n + 4.
  • Cycles n-1 through n-4 each represent a pre-misfire cycle, where n + 1 through n + 4 each represent a misfire cycle.
  • the four-stroke cylinder is operated at moderate load and engine speeds with a significant portion of residual gas 3 being separated or recycled from the previous cycle, thereby initiating the CAI.

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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, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
  • 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 ermöglichen. 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 direkt Einspritzung reduziert werden. In beiden Fällen kann die Stickstoffemission (NOx) mittels konventioneller Drei-Wege-Katalysatoren (TWC) nicht behandelt werden. Aus diesem Grund wurden magere Stickstoffabscheider (LNT) entwickelt, die das magere Zuführgemisch behandeln können. Nachteilig bei diesen LNT basierten Systemen ist, dass diese wesentlich teurer sind als konventionelle TWC.
  • Magermotoren mit extrem niedrigen Stickstoffemissionen, die eine teure LNT-Nachbehandlung unnötig machen wurden ebenfalls vorgestellt. Dies wurde durch die kontrollierte Selbstzündung (CAI) in Motoren erreicht, die bezogen auf laufend produzierten Motoren etwas modifiziert wurden. 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 bewirkt, dass der Motor einen hohen Gasrückstandsanteil hat.
  • 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 Selbstzündungsverfahren zu ergänzen. Vorzugsweise wird die Selbstzündung lediglich in Teillastbereichen/geringen Drehzahlbereichen eingesetzt, während die Funkenzündung bei Volllastbereichen/hohen Drehzahlbereichen eingesetzt wird.
  • Die US2003/0192305 befasst sich mit einem Steuersystem das dazu geeignet ist, eine Verschlechterung der Abgasreinigung während des Überganges der Verbrennung von einer Funkenzündung zu einer Selbstzündung und umgekehrt zu reduzieren. Hierzu umfasst das Steuersystem:
    • einen Abgaskatalysator ;
    • einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis Detektor, um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis stromaufwärts des Abgaskatalysators zu bestimmen; und
    • einen NOx-Detektor,um NOx stromabwärts des Abgaskatalysators zu besimmen.
  • Beispielsweise kann während des Selbstzündungsmodus eine Verschlechterung der Verbrennung registriert werden, so dass die Verbrennung sehr schnell aus dem Selbstzündungsmodus zur Funkenzündung ungeschaltet wird. Damit soll eine Verschlechterung der Abgasreinigungsleistung auch während des Selbstzündungsmodus vorgebeugt werden.
  • 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 CAI Technologie bekannt, und wurde zum Beispiel in Motorrad Motoren angewandt. Um eine CAI 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 Ausregelzeit-Reaktionsfähigkeit des Motors 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 Rückstandsgas in einer Brennkammer mit minimalem Wärmeverlust abzuscheiden.
  • Beispielsweise beschreibt die EP 1 201 903 A1 ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsprozesses in einem Vier-Takt Motor, der in zumindest einem Zylinder Mittel für eine Funkenzündung, ein Einlass- und ein Auslassventil aufweist. Von einem Zyklus zum anderen werden die Funkenzündungsmittel aktiviert oder deaktiviert, wobei das Auslassventil von einem frühen Schließen, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, zu einem späten Schließen (näher am oberen Totpunkt) umgestellt wird. Im Übergang von der Funkenzündung zur Kompressionszündung, schließt das Auslassventil wesentlich früher als im vorausgegangen Zyklus, so dass das Kraftstoff-Luftgemisch aufgrund der Restgase aufgeheizt wird.
  • 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 CAI-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 dickliniertem Quadrat dargestellt, in dem ein Mischungsverhältnis von frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch und Restgas eingezeichnet ist. Das frische Kraftstoff/LuftGemisch 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 durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
  • 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 dickliniertem 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 CAI-Modus erfordert die Einhaltung bestimmter Grenzwerte, wie zum Beispiel einen relativ hohen Gasrückstandsanteil 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 Rückstandsgas 3 aus dem vorhergehenden Zyklus abgeschieden oder zurückgeführt wird, wodurch die CAI initiiert wird.

Claims (3)

  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, wobei der Vier-Takt-Zylinder nach einer im kontrollierten Selbstzündungsmodus auftretenden Fehlzündung in dem auf die Fehlzündung folgenden Zyklus in einem Funkenzündungsmodus, indem mehr Kraftstoff in den Vier-Takt-Zylinder eingespritzt wird, wiedergezündet wird
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündung während des kontrollierten Selbstzündungsmodus angeschaltet bleibt, und wobei der Vier-Takt-Zylinder nach der Wiederzündung, also nach dem Funkenzündungsmodus, in dem direkt auf den Zyklus im Funkenzündungsmodus folgenden Zyklus in den kontrollierten Selbstzündungsmodus zurückkehrt und in diesem weiterbetrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch
    eine derart gewählte Vorzündungseinstellung, dass die Zündung derart optimiert wird, dass im Falle der Funkenzündung das gleiche Motormoment erreicht wird, wie im CAI-Betrieb.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    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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