EP2625407A2 - Betriebsverfahren einer brennkraftmaschine mit einem agr katalysator während des wechsels zwischen den hcci-brennverfahren und den brennverfahren mit fremdzündung (si) - Google Patents

Betriebsverfahren einer brennkraftmaschine mit einem agr katalysator während des wechsels zwischen den hcci-brennverfahren und den brennverfahren mit fremdzündung (si)

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EP2625407A2
EP2625407A2 EP11776696.4A EP11776696A EP2625407A2 EP 2625407 A2 EP2625407 A2 EP 2625407A2 EP 11776696 A EP11776696 A EP 11776696A EP 2625407 A2 EP2625407 A2 EP 2625407A2
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
operating method
rzv
combustion
partial
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11776696.4A
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English (en)
French (fr)
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Torsten Dieler
Dirk Haase
Rüdiger Herweg
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention describes a method of operating an internal combustion engine, in particular for a reciprocating engine, for example, for a gasoline engine with direct injection, in a motor vehicle, with NO x combustion -deficient (NAV).
  • a reciprocating engine for example, for a gasoline engine with direct injection
  • NAV NO x combustion -deficient
  • Downsizing means designing, deploying, and operating smaller displacement engines to achieve comparable or improved driveability values, unlike their previous large-displacement engines. By downsizing the fuel consumption can be reduced thereby reducing the C0 2 emissions. In addition, smaller displacement engines have lower absolute friction losses.
  • cubic capacity engines are characterized by a lower torque, especially at low speeds, and thus lead to a poorer dynamic behavior of the vehicle, and thus for example to a poorer elasticity.
  • operating method disadvantages which brings the downsizing of gasoline engines, at least largely be compensated.
  • an operating method in which a lean fuel / exhaust gas / air mixture in the respective combustion chamber of the internal combustion engine is caused to autoignite. So that the compression ignition starts at the desired time, fuel is injected into the combustion chamber in the lean, homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture with corresponding compression shortly before spark ignition, so that a more greasy mixture cloud is formed. Embedded in the lean, homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture, this concentrated mixture cloud serves as the ignition initiator for the compression-ignited combustion in the combustion chamber.
  • CONFIRMATION COPY DE 10 2006 041 467 A1 describes an operating method for a gasoline engine with homogeneous, compression-ignited combustion. If in the respective combustion chamber of the internal combustion engine, the homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture is formed lean compressed so sets in contrast to the spark ignited, Otto engine operating method and starting from the ignition in the combustion chamber no flame front, but the homogeneous fuel - / Exhaust / air mixture ignited in the respective combustion chamber at a corresponding compression rate at several points almost simultaneously, so that adjusts a Jardinzündverbrennung in this case.
  • Room ignition combustion (RZV) has a significantly lower nitrogen oxide emission and at the same time a high fuel consumption efficiency compared with the Otto engine, spark ignition operation.
  • Fuels Lubr., Volume 2, Issue 1 is a
  • an oxidation catalytic converter is arranged in an external exhaust gas recirculation line, which is the one for the respective combustion engine having a direct injection, ignited
  • the combustion chamber recirculated exhaust gas from reactive components, such as hydrocarbons and / or carbon monoxide freed .
  • reactive components such as hydrocarbons and / or carbon monoxide freed .
  • the present invention is now concerned with the problem of specifying an improved or at least an alternative operating method for a direct-injection internal combustion engine, which is characterized in particular by a reliable operational stability. derem in a higher engine load range with simultaneous low NO x combustion.
  • the invention is based on the general idea, in an operating method for a, in particular directly injected, multiple combustion chambers having internal combustion engine, in particular for a directly injected gasoline engine, for example a motor vehicle, with at least partial low-NO x combustion (NAV) and with several partial operation at least in a partial operation method in which a room ignition combustion (RZV) occurs to perform a reduction in reactivity of an exhaust gas recirculated by means of external exhaust gas recirculation, wherein the reduction in reactivity is carried out prior to the entry of the recirculated exhaust gas into the respective combustion chamber.
  • NAV room ignition combustion
  • RZV and NAV exhaust gas recirculation can be used.
  • the recirculated exhaust gas can be present from the previous work cycles free radicals. These have an influence on the combustion and the knock sensitivity of the engine.
  • the exhaust gas recirculation via an oxidation catalytic converter influences the reactivity of the recirculated exhaust gas, since the free radicals in the catalyst are converted.
  • the center of gravity of the combustion conversion can be influenced and the operational stability can be improved.
  • the stoichiometric, partial engine operating mode can be used throughout the engine load and / or engine speed range. It is preferably also used when other partial operating methods are used in the high engine load and / or engine speed range.
  • An Otto engine partial operating method can also be carried out externally ignited with excess air and thus with a combustion air ratio ⁇ > 1.
  • This partial operating method is usually also referred to as a DES partial operating method (direct injection layer), wherein a stratified, generally lean fuel / exhaust gas / air mixture is formed in the respective combustion chamber by means of a plurality of direct injections. Due to the layered design, at least idealized two partial areas with a different combustion air ratio ⁇ are arranged in the respective combustion chamber. This stratification is usually generated by multiple injections. In this case, a lean, homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture in the respective combustion chamber can first be formed by one or more injections.
  • HOS Homogeneous Layer
  • the DES and HOS sub-operations may also be compression-ignited and are then typically no longer referred to as DES, HOS sub-operations.
  • the RZV partial operation method can be used, in which a lean, homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture is started in the respective combustion chamber by space ignition combustion and thus compression ignited.
  • a partial engine operating mode in which a flame-front combustion (FFV) occurs by means of spark ignition
  • the fuel / exhaust gas / air mixture arranged in the respective combustion chamber begins to ignite almost simultaneously in several areas of the respective combustion chamber, so that a room ignition combustion occurs.
  • the RZV partial operating procedure has a significantly lower NO x emission than the partial engine operating modes and is characterized by a lower fuel consumption.
  • the NAV partial operating method according to the invention can now be understood as a combination of a spark-ignited, Otto engine partial operating method and an RZV partial operating method.
  • the NAV partial operating method involves a homogeneous, lean fuel / exhaust gas / air mixture which is externally ignited by means of an ignition device.
  • FFV initial flame front combustion
  • RZV room ignition combustion
  • the NAV-part method of operation compared to the gasoline engine part operating method, due to the occurring homogeneous charge compression ignition (RZV) to a reduced fuel consumption and reduced NO x emissions.
  • the combustion is externally ignited by an igniter.
  • the operating stability of the mixture ignition and / or combustion significantly improved.
  • the homogeneous, lean fuel / exhaust gas / air mixture begins to burn in the manner of an internal combustion engine flame-retardant combustion (FFV), which then subsequently passes into a room-temperature combustion (RZV).
  • FFV internal combustion engine flame-retardant combustion
  • RZV room-temperature combustion
  • the NAV fractional operation method combines the advantages of room ignition combustion (RZV) and gasoline engine, operational stable ignition of the fuel / exhaust gas / air mixture. Controlled by the provision of a correspondingly composed fuel / exhaust gas / air mixture in the respective combustion chamber and controlled by the spark ignition by means of an ignition device at the right time, this NAV partial operation method according to the invention can be carried out.
  • the NAV partial operation method is characterized by a low pressure gradient and a reduction in knock tendency. Accordingly, by means of the NAV partial operating method, a room ignition combustion (RZV) in a higher engine load range feasible in which the pure RZV partial operation method due to the increasing pressure gradient and due to irregular combustion conditions, especially because of the increased tendency to knock, can no longer be performed sufficiently stable operation.
  • RZV room ignition combustion
  • partial combustion engine room combustion (RZV) versus stoichiometric Otto engine combustion both have reduced fuel consumption and reduced NO x emission levels.
  • the area of application can be extended by the NAV partial operating procedure with regard to the efficient combustion of room ignition.
  • the smoothness in the NAV combustion process is improved over the partial operation method with space ignition.
  • an RZV partial operating method with mainly pure room ignition combustion is carried out.
  • RZV primarily pure room ignition combustion
  • RZV is ideally understood to mean an RZV partial operation method in which only room ignition combustion takes place.
  • RZV mainly pure space ignition combustion
  • this formulation is aimed at the fact that in the RZV partial operating method mainly pure room ignition combustion (RZV) takes place, which can occur due to disturbances of the partial operation other combustion states, however, does not predominate the pure space ignition combustion (RZV) or an integral part of the partial operation are.
  • RZV room ignition combustion
  • the RZV partial operation method is performed at an engine speed of 5% to 70% of the maximum engine speed of the internal combustion engine and / or at an engine load of 2% to 30% of the maximum engine load of the internal combustion engine.
  • the NAV partial operating method in which a substantially homogeneous, lean fuel / exhaust gas at ignition (ZZP) - / air mixture with a combustion air ratio of ⁇ > 1 is externally ignited in the respective combustion chamber by means of an igniter and in which the initiated by the spark ignition flame front combustion (FFV) in a room ignition combustion (RZV) passes.
  • the NAV partial operation method also has a phase in which a room ignition combustion (RZV) takes place, a reduction in reactivity of the exhaust gas recirculated into the respective combustion chamber is advantageous not only for this reason but also with regard to the ignition behavior. The knock tendency of the engine is thereby reduced.
  • RZV room ignition combustion
  • the NAV partial operation method is performed at an engine speed of 5% to 70% of the maximum engine speed of the internal combustion engine and / or at an engine load of 10% to 70% of the maximum engine load of the internal combustion engine.
  • a lean fuel / exhaust gas / air mixture is to be understood as meaning a fuel / exhaust gas / air mixture which has a combustion air ratio of ⁇ > 1 and thus an excess of air, while a rich fuel / exhaust gas / air mixture has a combustion air ratio of ⁇ ⁇ 1 has.
  • the combustion air ratio is a dimensionless physical quantity describing a mixture composition of a fuel / exhaust gas / air mixture.
  • the mixture composition of the fuel / exhaust gas / air mixture can be specified by the charge dilution. Regardless of whether there is a lean or a rich or stoichiometric fuel / exhaust / air mixture, the charge dilution indicates how much fuel has been positioned in relation to the other components of the fuel / exhaust / air mixture in the respective combustion chamber.
  • the charge dilution is the quotient of the mass of fuel and the total mass of fuel / exhaust gas / air mixture present in the respective combustion chamber.
  • a charge dilution of 0.03 to 0.05 is set.
  • the ignition timing plays an essential role in the NAV partial operation method, it is preferable to arrange the ignition timing at a crank angle (KWW) of -45 to -10 ° KWW.
  • the crankshaft angle is understood to mean a movement of the piston in the respective cylinder or combustion chamber that is divided into degrees.
  • a four-stroke cycle in which an intake stroke transits into a compression stroke and then into an expansion stroke and subsequently into an exhaust stroke, usually the top dead center of the piston retracted into the respective combustion chamber becomes between the compression stroke and the expansion stroke with the crankshaft angle of zero ° referenced. Starting from this top dead center at 0 ° KWW, the crankshaft angle decreases in the direction of the expansion stroke and exhaust stroke, and in the direction of the compression stroke and intake stroke.
  • the intake stroke is arranged in this division between - 360 ° KWW and - 180 ° KWW, the compression stroke between -180 ° KWW and 0 ° KWW, the expansion stroke between 0 ° KWW and 180 ° KWW and the exhaust stroke between 180 ° KWW and 360 ° KWW.
  • a homogeneous, lean fuel / exhaust gas / air mixture which is distributed substantially homogeneously in the respective combustion chamber.
  • the Ideal case is an exactly homogeneous training present. In the real case, however, small inhomogeneities may occur, but they have no significant influence on the respective partial operating procedure.
  • Such a homogeneous, lean fuel / exhaust / air mixture can be generated by single or multiple injection. Preferably, the injections or the multiple injections are made load-dependent and / or speed-dependent.
  • an internal exhaust gas recirculation can be carried out.
  • This exhaust gas recirculation can be carried out as exhaust gas recirculation and / or exhaust gas retention.
  • exhaust gas is supplied to the respective combustion chamber by ejecting the exhaust gas into the intake tract and / or in the exhaust tract with subsequent sucking back.
  • an exhaust gas retention can be carried out, in which a part of the exhaust gas is retained in the respective combustion chamber.
  • an external exhaust gas recirculation can be carried out, wherein the externally recirculated exhaust gas can also be cooled and undergoes a reduction in reactivity with regard to its reactive constituents.
  • the reduction in reactivity of the exhaust gas recirculated into the respective combustion chamber can be carried out by oxidation of the unburned hydrocarbons occurring in the exhaust gas and / or of the carbon monoxide.
  • such a reduction in reactivity can also be carried out by at least partially recirculating exhaust gas from the exhaust system downstream of an oxidation catalytic converter.
  • an oxidation catalytic converter is usually arranged in the exhaust system, it makes sense in this case to remove the exhaust gas downstream of the oxidation catalytic converter from the exhaust system and to recirculate this with regard to the reactive components reduced exhaust gas into the respective combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the reduction in reactivity of the exhaust gas recirculated into the respective combustion chamber is particularly preferably through an O-ring arranged in an exhaust gas recirculation line. xidationskatalysator accomplished.
  • the oxidation catalytic converter is advantageously installed upstream of an exhaust gas recirculation cooler possibly arranged in the respective exhaust gas recirculation line, since in this case the operating temperature of the oxidation catalytic converter can be ensured by the exhaust gas.
  • the NAV partial operation method may be performed in combination with and / or in addition to a spark-ignited stratified DES partial operation method.
  • the ignition point (ZZP) and / or a center of gravity of the combustion conversion may preferably be positioned at a crankshaft angle corresponding to the crankshaft angle of the ignition point (ZZP) and / or the center of gravity position of a spark-ignited stratified DES partial operating method.
  • the NAV partial operating method is preferably also carried out in an engine speed range and / or an engine load range, in which a spark-ignited, stratified DES partial operating mode is also possible.
  • the NAV partial operating method is carried out in combination with and / or in addition to an RZV partial operating method with pure space ignition transfer (RZV), switching between the two partial operating methods if the respective other partial operating method has a lower operational stability.
  • RZV space ignition transfer
  • an internal combustion engine which is operated according to such an operating method with at least partial space ignition combustion.
  • a separate oxidation catalytic converter in particular in the exhaust gas flow direction in front of an exhaust gas recirculation cooler, is advantageously arranged in an exhaust gas recirculation line.
  • FIG. 2 a comparison of valve lifts of an RZV, NAV and DES operating method
  • FIG. 3 a graphic representation of a map area of the RZV and NAV
  • FIG. 5 shows an internal combustion engine with an oxidation catalytic converter arranged in an external exhaust gas recirculation line.
  • a combustion curve diagram 1 of a NAV partial operating method shown in FIG. 1 the crankshaft angle is plotted in degrees KWW on an abscissa 2, while a combustion curve BV in Joules is plotted on an ordinate 3.
  • the combustion process of the NAV partial operation method is represented by a curve 4.
  • An arranged in the respective combustion chamber fuel / exhaust gas / air mixture is externally ignited at an ignition timing 5 at a crankshaft angle of - 30 ° +/- 5 ° KWW.
  • the combustion chamber arranged in the respective fuel / exhaust gas / air mixture burns with a ottomisches flame front combustion (FFV).
  • FFV ottomisches flame front combustion
  • the fuel / exhaust gas / air mixture heated up further by the flame front combustion (FFV) and subjected to more pressure begins to be converted into a room ignition combustion (RZV).
  • RZV room ignition combustion
  • FFV progressive flame front combustion
  • the NAV-Teil ists vide is subdivided into a phase I of the homogeneous flame front combustion (FFV) and a phase II of the homogeneous Kunststoffzündverbrennung (RZV), wherein both phases ⁇ , ⁇ are limited by the boundary line 6.
  • crankshaft angle in degrees KWW is plotted on an abscissa 8, while on the ordinates 9, 9 'the cylinder pressure P in bar (left) or the valve lift VH in millimeters (right ) is applied.
  • the curves 10, 0 ', 10 "refer in each case to the cylinder pressure curves of the DES, RZV, and NAV partial operating methods. For these curves, the cylinder pressure graduation of the left-hand ordinate 9 applies.
  • the DES valve-lift curves 1 1, 11' The RZV valve lift curves 12, 12 'and the NAV valve lift curves 13, 13' are plotted in the cylinder pressure valve lift diagram 7.
  • valve lift division of the right ordinate 9 ' applies to these curves , 11 ', 12, 12', 13, 13 ', it can be seen that the NAV valve lift curves 13, 13' are significantly smaller in comparison with the DES valve lift curves 11, 11 '.
  • Valve lift curve 11, 11 'over a larger crankshaft angle range than the NAV valve lift curve 13, 13' Accordingly, with such a DES valve lift curve 11, 11 ', exhaust gas retention or internal exhaust gas recirculation is only insufficiently possible In contrast, with such NAV valve lift curves 13, 13 ', an i internal exhaust gas recirculation and / or exhaust gas retention can be adjusted.
  • FIG. 3 shows an engine load / engine speed diagram 14 for a map 15 for the RZV partial operating method and a map 16 for the NAV partial operating method. records.
  • the speed n is plotted on the abscissa 7, while on the ordinate 18, the engine load M is removed.
  • a limit curve 19 limits that engine load or engine speed range in which the engine can be operated.
  • the engine load / engine speed region 20 which is not taken up by the map 15 of the RZV partial operation method and also not by the map 16 of the NAV partial operation method, a partial engine operating method can be performed.
  • An adjustment condition diagram 21, shown in FIG. 4, schematically illustrates adjustment conditions for the RZV partial operation method and for the NAV partial operation method.
  • the charge dilution is decreased, decreasing in the direction of the abscissa 22, visualized by a decreasing bar 30.
  • the engine load increases in the direction of the abscissa 22.
  • an ordinate 23 of the crankshaft angle of the ignition (ZZP) is removed, which also decreases in orientation of the ordinate 23, visualized by a decreasing bar 30 '.
  • the operation areas 24, 25, 26, 27, 28, 29 are shown.
  • the operating area 24 identifies a possible operating range of the RZV partial operating method.
  • the RZV partial operating method can be used in this operating region 24.
  • both the RZV partial operating method and the NAV partial operating method can be carried out in the operating region 25.
  • the operating range 26 in which the RZV partial operating method can be carried out is reached, but in this charge dilution range the RZV partial operating method has a higher tendency to knock and is characterized by a correspondingly high pressure rise.
  • the RZV partial operation method in this charge dilution region suffers from an increased operational instability, which can be improved, for example, by an external exhaust gas recirculation.
  • This operating region 26 can be skipped by the NAV partial operating method, in which case likewise by appropriate choice of the ignition timing (ZZP), the center of gravity of the combustion conversion can be shifted to a low crankshaft angle.
  • the NAV partial operating method is preferably to be used.
  • an Otto engine partial operation method can be applied.
  • neither the RZV, NAV or DES partial operation method can be used in the operation area 29.
  • FIG. 5 shows an internal combustion engine 31 with an external exhaust gas recirculation 32.
  • an oxidation catalyst 36 is disposed in the exhaust gas recirculation line 35.
  • the oxidation catalytic converter 36 is preferably arranged in the exhaust gas flow direction in front of an exhaust gas recirculation cooler 37.
  • the oxidation catalyst 36 is positioned in the exhaust gas flow direction according to an optionally in the exhaust gas recirculation line 35 arranged exhaust gas recirculation valve 38 for controlling an exhaust gas recirculation rate.
  • the compression ratio of the internal combustion engine 31 is interpreted accordingly advantageous. More specifically, the NAV partial operation method is performed at a compression ratio ⁇ of 10 to 13.
  • the compression ratio ⁇ is the quotient of a compression volume of the combustion chamber at a position of the piston at its top dead center and the sum of the compression volume and the stroke volume of the combustion chamber at a position of the piston in its bottom dead center.
  • the compression ratio ⁇ is lowered. Due to the lowered compression ratio ⁇ the tendency to knock is significantly reduced and given an earlier center of gravity of the combustion conversion, as well as a resulting increased operational stability of the NAV partial operating procedure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor, z.B. eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest teilweiser NOx- armer Verbrennung (NAV) und mit mehreren Teilbetriebsverfahren, bei dem zumindest in einem Teilbetriebsverfahren eine Raumzündverbrennung (RZV) auftritt, wobei zumindest in einem Teilbetriebsverfahren mit Raumzündverbrennung (RZV) eine Reaktivitätsreduktion eines mittels externer Abgasrückführung in den jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgases vor dessen Rückführung durchgeführt wird. Durch eine derartige Reaktivitätsreduktion ist die Betriebsstabilität des jeweiligen Teilbetriebsverfahrens erhöht.

Description

Betriebsverfahren einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Hubkolbenmotor, z.B. für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung, in einem Kraftfahrzeug, mit NOx-armer Verbrennung (NAV).
Um C02-Emissionswerte zu verbessern, kann man im Kraftfahrzeugbau neben anderen Maßnahmen Downsizing betreiben. Dabei versteht man unter Downsizing, Motoren mit kleinerem Hubraum so zu konstruieren, einzusetzen und zu betreiben, dass sie vergleichbare oder verbesserte Werte bezüglich des Fahrverhaltens erreichen, im Gegensatz zu ihren vorangegangenen, hubraumgroße Motoren. Durch Downsizing kann dabei der Kraftstoffverbrauch gesenkt und somit die C02-Emissionswerte reduziert werden. Zudem haben hubraumkleinere Motoren eine geringere absolute Reibleistung.
Hubraumkleinere Motoren zeichnen sich jedoch durch ein geringeres Drehmoment, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, aus und führen somit zu einem schlechteren Dynamikverhalten des Fahrzeuges, und damit beispielsweise zu einer schlechteren Elastizität. Durch dementsprechende Betriebsverfahren können Nachteile, die das Downsizing von Ottomotoren mit sich bringt, zumindest weitgehend kompensiert werden.
Aus der EP 1 543 228 B1 ist beispielsweise ein Betriebsverfahren bekannt, bei dem ein mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in dem jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine zur Selbstzündung veranlasst wird. Damit die Kompressionszündung zu dem gewünschten Zeitpunkt einsetzt, wird in das magere, homogene Kraftstoff-/Abgas- /Luftgemisch bei dementsprechender Kompression kurz vor einer Fremdzündung Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, so dass sich eine fettere Gemischwolke bildet. Eingebettet in das magere, homogene Kraftstoff-/ Abgas-/Luftgemisch dient diese konzentrierte Gemischwolke als Zündinitiator für die kompressionsgezündete Verbrennung im Brennraum.
BESTÄTIGUNGSKOPIE In der DE 10 2006 041 467 A1 ist ein Betriebsverfahren für einen Ottomotor mit homogener, kompressionsgezündeter Verbrennung beschrieben. Wird dabei im jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine das homogene Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, das mager ausgebildet ist, komprimiert, so stellt sich im Gegensatz zum fremdgezündeten, ottomotorischen Betriebsverfahren und ausgehend von der Zündstelle in dem Brennraum keine Flammenfrontverbrennung ein, sondern das homogene Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch zündet in dem jeweiligen Brennraum bei einer dementsprechenden Kompressionsrate an mehreren Stellen nahezu gleichzeitig durch, sodass sich in diesem Fall eine Raumzündverbrennung einstellt. Die Raumzündverbrennung (RZV) hat dabei im Vergleich zu dem ottomotorischen, fremdgezündeten Betriebsverfahren eine deutlich geringere Stickoxidemission bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches. Allerdings kann dieses emissionsarme, effiziente RZV-Betriebsverfahren mit Raumzündverbrennung nur in einem unteren und ggf. in einem mittleren Motorlast- / otordrehzahlbereich eingesetzt werden, da mit sinkender Ladungsverdünnung die Klopfneigung ansteigt und somit der Einsatz des RZV-Betriebsverfahrens zu höheren Motorlastbereichen hin beschränkt ist.
Aus dem Artikel„CARE - CAtalytic Reformated Exhaust Gases in turbocharged DISI- Engines" von Henrik Hoffmeyer, Emanuela Montefrancesco, Linda Beck, Jürgen Willand und Florian Ziebart der Zeitschrift SAE Int. J. Fuels Lubr., Volume 2, Issue 1 , ist ein Betriebsverfahren für eine direkt eingespritzte, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine bekannt, das analog eines direkteinspritzenden, mittels einer Zündeinrichtung fremdgezündeten, ottomotorischen Betriebsverfahrens durchgeführt wird. Um eine verbesserte Betriebsstabilität des beschriebenen Betriebsverfahrens zu erreichen, ist in einer externen Abgasrückführungsleitung ein Oxidationskatalysator angeordnet, der das zum jeweiligen Brennraum rückgeleitete Abgas von reaktiven Bestandteilen, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid befreit. Dadurch kann die dem jeweiligen Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge genauer dosiert werden, da infolge des Oxidationskatalysators die in den jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgase nahezu frei von reaktiven Bestandteilen sind.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, ein verbessertes oder zumindest ein alternatives Betriebsverfahren für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine anzugeben, das sich insbesondere durch eine sichere Betriebsstabilität unter an- derem in einem höheren Motorlastbereich bei gleichzeitiger NOx-armer Verbrennung auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkt eingespritzte, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere für einen direkt eingespritzten Ottomotor, zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges, mit zumindest teilweiser NOx-armer Verbrennung (NAV) und mit mehreren Teilbetriebsverfahren, zumindest in einem Teilbetriebsverfahren, bei dem eine Raumzündverbrennung (RZV) auftritt, eine Reaktivitätsreduktion eines mittels externer Abgasrückführung rückgeführten Abgases durchzuführen, wobei die Reaktivitätsreduktion vor dem Eintritt des rückgeführten Abgases in den jeweiligen Brennraum vorgenommen wird.
Bei den Teilbetriebsverfahren RZV und NAV kann eine Abgasrückführung angewendet werden. Im rückgeführten Abgas können aus den vorangegangenen Arbeitsspielen freie Radikale vorhanden sein. Diese haben einen Einfluss auf die Verbrennung sowie die Klopfempfindlichkeit des Motors. Die Abgasrückführung über einen Oxidationskatalysa- tors beeinflusst die Reaktivität des zurückgeführten Abgases, da die freien Radikale im Katalysator gewandelt werden. Somit kann die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung beeinflusst und die Betriebsstabilität verbessert werden.
Eine, insbesondere direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine kann nach verschiedenen Betriebsverfahren bzw. mit verschiedenen Teilbetriebsverfahren betrieben werden. So sind mehrere ottomotorische Teilbetriebsverfahren möglich. Das stöchiometrische, ottomotorische Teilbetriebsverfahren weist ein Verbrennungsluftverhältnis oder auch Luftzahl λ = 1 auf und wird durch eine Zündeinrichtung fremdgezündet, wobei sich eine Flammenfrontverbrennung (FFV) einstellt. Das stöchiometrische, ottomotorische Teilbetriebsverfahren kann im gesamten Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet werden. Bevorzugt wird es bei Anwendung auch anderer Teilbetriebsverfahren im hohen Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet. Ein ottomotorisches Teilbetriebsverfahren kann fremdgezündet auch mit Luftüberschuss und somit mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 durchgeführt werden. Dieses Teilbetriebsverfahren wird üblicherweise auch als DES-Teilbetriebsverfahren (DirektEinsprit- zungSchicht) bezeichnet, wobei mittels mehrerer Direkteinspritzungen ein geschichtetes, insgesamt mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in der jeweiligen Brennkammer ausgebildet wird. Aufgrund der geschichteten Ausbildung sind in dem jeweiligen Brennraum zumindest idealisiert zwei Teilbereiche mit einem unterschiedlichen Verbrennungsluftverhältnis λ angeordnet. Diese Schichtung wird üblicherweise durch mehrere Einspritzungen erzeugt. Dabei kann zuerst durch eine oder mehrere Einspritzungen ein mageres, homogenes Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in dem jeweiligen Brennraum ausgebildet werden. In diesen mageren, homogenen Bereich wird dann durch eine letzte Einspritzung, die auch als ehrfach-Einsphtzung ausgebildet sein kann, im Bereich der Zündeinrichtung eine Gemischwolke positioniert, die fetter ausgebildet ist, als der magere, homogene Bereich. Dieses Verfahren wir üblicherweise als HOS (HomogenSchicht) bezeichnet. Durch die fettere Gemischwolke im Bereich der Zündeinrichtung kann das insgesamt magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in der Brennkammer gezündet werden und durch eine Flammenfrontverbrennung (FFV) umgesetzt werden. Die DES- und HOS Teilbetriebsverfahren werden bevorzugt in einem unteren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet.
Die DES-, und HOS Teilbetriebsverfahren können auch kompressionsgezündet werden und werden dann üblicherweise aber nicht mehr als DES-, HOS-Teilbetriebsverfahren bezeichnet.
Ebenfalls in einem unteren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich kann das RZV- Teilbetriebsverfahren angewendet werden, bei dem ein mageres, homogenes Kraftstoff- /Abgas-/Luftgemisch in dem jeweiligen Brennraum durch Raumzündverbrennung und somit kompressionsgezündet gestartet wird. Im Gegensatz zu einem ottomotorischen Teilbetriebsverfahren, bei dem durch Fremdzündung eine Flammenfrontverbrennung (FFV) auftritt, beginnt bei dem RZV-Teilbetriebsverfahren das in der jeweiligen Brennkammer angeordnete Kraftstoff-/ Abgas-/Luftgemisch nahezu gleichzeitig in mehreren Bereichen der jeweiligen Brennkammer durchzuzünden, sodass eine Raumzündverbrennung auftritt. Das RZV-Teilbetriebsverfahren weist gegenüber den ottomotorischen Teilbetriebsverfahren eine deutlich geringere NOx-Emission auf und zeichnet sich gleichzeitig durch einen geringeren Kraftstoffverbrauch aus. Das erfindungsgemäße NAV-Teilbetriebsverfahren kann nun als Kombination aus einem fremdgezündeten, ottomotorischen Teilbetriebsverfahren und einem RZV- Teilbetriebsverfahren verstanden werden. Dabei liegt bei dem NAV-Teilbetriebsverfahren ein homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch vor, das mittels einer Zündeinrichtung fremdgezündet wird. Nach einer anfänglichen Flammenfrontverbrennung (FFV) geht die Verbrennung des homogenen Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches bei dem NAV- Teilbetriebsverfahren jedoch in eine Raumzündverbrennung (RZV) über. Demzufolge weist auch das NAV-Teilbetriebsverfahren im Vergleich zu den ottomotorischen Teilbetriebsverfahren aufgrund der auftretenden Raumzündverbrennung (RZV) einen verringerten Kraftstoffverbrauch und eine reduzierte NOx-Emission auf.
Im Gegensatz zum RZV-Teilbetriebsverfahren wird bei dem NAV-Teilbetriebsverfahren die Verbrennung durch eine Zündeinrichtung fremdgezündet. Unter anderem deshalb ist, insbesondere im höheren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich, die Betriebsstabilität der Gemischzündung und/oder der Verbrennung deutlich verbessert. Somit beginnt das homogene, magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in Art einer ottomotorischen Flam- menfronverbrennung (FFV) zu verbrennen, die dann anschließend in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht. Somit kombiniert das NAV-Teilbetriebsverfahren die Vorteile der Raumzündverbrennung (RZV) und der ottomotorischen, betriebsstabilen Zündung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches. Dabei kann gesteuert durch die Bereitstellung eines dementsprechend zusammengesetzten Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches im jeweiligen Brennraum sowie gesteuert durch das Fremdzünden mittels einer Zündeinrichtung zum richtigen Zeitpunkt dieses erfindungsgemäße NAV-Teilbetriebsverfahren durchgeführt werden.
Das NAV-Teilbetriebsverfahren zeichnet sich durch einen geringen Druckgradienten und durch eine Reduzierung der Klopfneigung aus. Demzufolge ist mittels des NAV- Teilbetriebsverfahrens auch eine Raumzündverbrennung (RZV) in einem höheren Motorlastbereich durchführbar, in dem das reine RZV-Teilbetriebsverfahren aufgrund des ansteigenden Druckgradienten und wegen irregulärer Verbrennungszustände, insbesondere wegen der erhöhten Klopfneigung, nicht mehr ausreichend betriebsstabil durchgeführt werden kann.
Ein Vergleich der Teilbetriebsverfahren führt zu folgendem Ergebnis: Teilbetriebs¬
Kraftstoffverbrauch NOx-Emission Einsatzbereich Laufruhe verfahren
ottomotorisch
+/- +/- +++ +/- λ=1
DES +++ + +/-
RZV ++ +++ + +/-
NAV ++ ++ ++ ++
(- = Verschlechterung, + Verbesserung, ++ gute Verbesserung, +++ = sehr gute Verbesserung)
Demzufolge weisen Teilbetriebsverfahren mit Raumzündverbrennung (RZV) gegenüber stöchiometrischen ottomotorischen Brennverfahren sowohl einen verringerten Kraftstoffverbrauch als auch reduzierte NOx-Emissionswerte auf. Zudem kann der Einsatzbereich durch das NAV-Teilbetriebsverfahren hinsichtlich der effizienten Raumzündverbrennung erweitert werden. Auch ist die Laufruhe beim NAV-Brennverfahren gegenüber dem Teilbetriebsverfahren mit Raumzündung verbessert.
Bevorzugt wird als ein solches Teilbetriebsverfahren mit zumindest teilweiser Raumzündverbrennung (RZV) ein RZV-Teilbetriebsverfahren mit hauptsächlich reiner Raumzündverbrennung (RZV) durchgeführt. Dabei ist unter hauptsächlich reiner Raumzündverbrennung (RZV) idealerweise ein RZV-Teilbetriebsverfahren zu verstehen, bei dem ausschließlich Raumzündverbrennung stattfindet. Jedoch kann zu einem gewissen Prozentsatz infolge von Störungen auch eine andere Art der Verbrennung stattfinden, die somit mit der Formulierung hauptsächlich reiner Raumzündverbrennung (RZV) umfasst ist. Im Wesentlichen wird mit dieser Formulierung darauf abgezielt, dass bei dem RZV- Teilbetriebsverfahren hauptsächlich reine Raumzündverbrennung (RZV) stattfindet, wobei durch Störungen des Teilbetriebsverfahrens auch andere Verbrennungszustände auftreten können, die allerdings die reine Raumzündverbrennung (RZV) nicht überwiegen oder ein wesentlicher Bestandteil des Teilbetriebsverfahrens sind.
Bevorzugt wird das RZV-Teilbetriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5 % bis 70 % der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder bei einer Motorlast von 2 % bis 30 % der maximalen Motorlast der Brennkraftmaschine durchgeführt. Als weiteres Teilbetriebsverfahren, bei dem eine Reaktivitätsreduktion des in den jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgases von Vorteil zumindest für die Betriebsstabilität des jeweiligen Teilbetriebsverfahrens ist, ist das NAV-Teilbetriebsverfahren zu nennen, bei dem zum Zündzeitpunkt (ZZP) ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoff- /Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ >1 in dem jeweiligen Brennraum mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei der die durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht. Da in diesem Fall das NAV-Teilbetriebsverfahren ebenfalls eine Phase aufweist, in der eine Raumzündverbrennung (RZV) stattfindet, ist nicht nur deshalb sondern auch hinsichtlich des Zündverhaltens eine Reaktivitätsreduktion des in den jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgases vorteilhaft. Die Klopfneigung des Motors wird dadurch verringert.
Bevorzugt wird das NAV-Teilbetriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5 % bis 70 % der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder bei einer Motorlast von 10 % bis 70 % der maximalen Motorlast der Brennkraftmaschine durchzuführen.
Unter einem mageren Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch ist ein Kraftstoff-/Abgas- /Luftgemisch zu verstehen, das ein Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1 und somit einen Luftüberschuss aufweist, während ein fettes Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch ein Verbrennungsluftverhältnis von λ < 1 aufweist. Stöchiometrie liegt bei λ = 1 vor.
Das Verbrennungsluftverhältnis ist eine dimensionslose, physikalische Größe, mit der eine Gemischzusammensetzung eines Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches beschrieben wird. Das Verbrennungsluftverhältnis λ wird dabei als Quotient aus der tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse und der mindestens notwendigen stö- chiometrischen Luftmasse für eine vollständige Verbrennung des vorhandenen Kraftstoffes berechnet. Ist demnach λ = 1 , so spricht man von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis bzw. Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, und im Falle von λ > 1 von einem mageren Verbrennungsluftverhältnis bzw. Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch. Liegt zudem zumindest λ = 1 oder λ < 1 vor, so spricht man auch von einem fetten Verbrennungsluftverhältnis bzw. Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch. Bevorzugt liegt beim NAV-Teilbetriebsverfahren zum Zündzeitpunkt (ZZP) ein Verbrennungsluftverhältnis λ von 1 bis 2 vor.
Des Weiteren kann die Gemischzusammensetzung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches durch die Ladungsverdünnung angegeben werden. Unabhängig ob nun ein mageres oder ein fettes oder stöchiometrisches Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch vorliegt, gibt die Ladungsverdünnung an, wie viel Kraftstoff in Relation zu den anderen Komponenten des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches in der jeweiligen Brennkammer positioniert wurde. Dabei ist die Ladungsverdünnung der Quotient aus der Masse an Kraftstoff und der Gesamtmasse an Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, die in der jeweiligen Brennkammer vorliegt.
Bevorzugt wird bei dem NAV-Teilbetriebsverfahren eine Ladungsverdünnung von 0,03 bis 0,05 eingestellt.
Da der Zündzeitpunkt beim NAV-Teilbetriebsverfahren eine wesentliche Rolle spielt, wird bevorzugt der Zündzeitpunkt bei einem Kurbelwellenwinkel (KWW) von - 45 bis - 10° KWW angeordnet.
Unter dem Kurbelwellenwinkel versteht man eine in Grad eingeteilte Bewegung des Kolbens in dem jeweiligen Zylinder bzw. Brennraum. Im Falle eines Viertaktzyklus, bei dem ein Ansaugtakt in einen Kompressionstakt und dann in einen Expansionstakt und darauffolgend in einen Ausstoßtakt übergeht, wird üblicherweise der obere Totpunkt des in den jeweiligen Brennraum bzw. Zylinder eingefahrenen Kolbens zwischen dem Kompressionstakt und dem Expansionstakt mit dem Kurbelwellenwinkel von 0° referenziert. Ausgehend von diesem oberen Totpunkt bei 0° KWW nimmt der Kurbelwellenwinkel in Richtung des Expansionstaktes und Ausstoßtaktes zu und in Richtung des Verdichtungstaktes und Ansaugtaktes ab. Der Ansaugtakt ist in dieser Einteilung zwischen - 360° KWW und - 180° KWW angeordnet, der Kompressionstakt zwischen -180° KWW und 0° KWW, der Expansionstakt zwischen 0° KWW und 180° KWW und der Ausstoßtakt zwischen 180° KWW und 360° KWW.
Wird von einem weitgehend homogenen, mageren Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch gesprochen, so versteht man darunter ein homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas- /Luftgemisch, das im Wesentlichen homogen in dem jeweiligen Brennraum verteilt ist. Im idealen Fall ist dabei eine exakt homogene Ausbildung vorliegend. Im realen Fall können aber auch geringe Inhomogenitäten auftreten, die jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf das jeweilige Teilbetriebsverfahren haben. Ein derartiges homogenes, mageres Kraft- stoff-/Abgas-/Luftgemisch kann durch Einfach- oder Mehrfacheinspritzung erzeugt werden. Bevorzugt werden die Einspritzungen bzw. die Mehrfach-Einspritzungen lastabhängig und/oder drehzahlabhängig vorgenommen.
Zusätzlich kann bei dem NAV-Betriebsverfahren zur Aufheizung des Kraftstoff-/Abgas- /Luftgemisches in dem jeweiligen Brennraum eine interne Abgasrückführung durchgeführt werden. Diese Abgasrückführung kann als Abgasrücksaugung und/oder Abgasrückhaltung ausgeführt werden. Bei der Abgasrücksaugung wird durch Ausstoßen des Abgases in den Ansaugtrakt und/oder in den Ausstoßtrakt mit nachfolgendem Rücksaugen dem jeweiligen Brennraum Abgas zugeführt. Alternativ oder zusätzlich zur Abgasrücksaugung, als interne Abgasrückführung, kann eine Abgasrückhaltung vorgenommen werden, bei der ein Teil des Abgases in dem jeweiligen Brennraum rückgehalten wird. Zur Abkühlung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches ist wiederum eine externe Abgasrückführung durchführbar, wobei das extern rückgeführte Abgas zudem noch gekühlt werden kann und hinsichtlich seiner reaktiven Bestandteile eine Reaktivitätsreduktion erfährt.
Die Reaktivitätsreduktion des in den jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgases kann mittels Oxidation der in dem Abgas auftretenden, unverbrannten Kohlenwasserstoffe und/oder des Kohlenmonoxids durchgeführt werden.
Bevorzugt kann eine derartige Reaktivitätsreduktion auch durch zumindest teilweises Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage stromab eines Oxidationskatalysators durchgeführt werden. Da in der Regel in der Abgasanlage ein Oxidationskatalysator angeordnet ist, bietet es sich in diesem Fall an, das Abgas in Strömungsrichtung nach dem Oxidationskatalysator aus der Abgasanlage zu entnehmen und dieses hinsichtlich der reaktiven Bestandteile reduzierte Abgas in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine rückzuführen. Vorteilhaft ist in diesem Fall auch, aufgrund des längeren Abgasweges, eine höhere Abkühlung des in dem jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgases zu erwarten.
Besonders bevorzugt wird die Reaktivitätsreduktion des in den jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgases durch einen in einer Abgasrückführungsleitung angeordneten O- xidationskatalysator bewerkstelligt. In vorteilhafter Weise wird dabei der Oxidationskatalysator vor einem eventuell in der jeweiligen Abgasrückführungsleitung angeordneten Abgasrückführungskühler eingebaut, da in diesem Fall die Betriebstemperatur des Oxidati- onskatalysators durch das Abgas gewährleistet werden kann.
Das NAV-Teilbetriebsverfahren kann in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem fremdgezündeten, geschichteten DES-Teilbetriebsverfahren durchgeführt werden.
Bevorzugt kann in diesem Fall der Zündzeitpunkt (ZZP) und/oder eine Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung bei einem derartigen Kurbelwellenwinkel positioniert sein, der dem Kurbelwellenwinkel des Zündzeitpunktes (ZZP) und/oder der Schwerpunktlage eines fremdgezündeten, geschichteten DES-Teilbetriebsverfahrens entspricht.
Bevorzugt wird in diesem Fall auch das NAV-Teilbetriebsverfahren in einem Motordreh- zahlbereich und/oder einem Motorlastbereich durchgeführt, in dem auch ein fremdgezündetes, geschichtetes DES-Teilbetriebsverfahren möglich ist.
Besonders bevorzugt wird das NAV-Teilbetriebsverfahren in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem RZV-Teilbetriebsverfahren mit reiner Raumzündverbringung (RZV) durchgeführt, wobei zwischen den beiden Teilbetriebsverfahren gewechselt wird, wenn das jeweilig andere Teilbetriebsverfahren eine geringere Betriebsstabilität aufweist.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine, die nach einem derartigen Betriebsverfahren mit zumindest teilweiser Raumzündverbrennung betrieben wird. Vorteilhaft ist bei einer derartigen Brennkraftmaschine in einer Abgasrückführungsleitung ein separater Oxidationskatalysator, insbesondere in Abgasströmungsrichtung vor einem Abgasrückführungskühler, angeordnet.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche
Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 : Eine grafische Darstellung eines Brennverlaufes des NAV-Betriebsverfahrens, Fig. 2: ein Vergleich von Ventilhüben eines RZV-, NAV- und DES-Betriebsverfahrens, Fig. 3: eine grafische Darstellung eines Kennfeldbereiches des RZV- und NAV-
Betriebsverfahren,
Fig. 4: Einstellbedingungen des RZV- und NAV-Betriebsverfahrens,
Fig. 5: eine Brennkraftmaschine mit einem in einer externen Abgasrückführungsleitung angeordneten Oxidationskatalysator.
In einem in Fig. 1 gezeigten Brennverlauf-Diagramm 1 eines NAV-Teilbetriebsverfahrens ist auf einer Abszisse 2 der Kurbelwellenwinkel in Grad KWW abgetragen, während auf einer Ordinate 3 ein Brennverlauf BV in Joule aufgetragen ist. Der Brennverlauf des NAV- Teilbetriebsverfahrens ist durch eine Kurve 4 dargestellt. Ein in dem jeweiligen Brennraum angeordnetes Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch wird zu einem Zündzeitpunkt 5 bei einem Kurbelwellenwinkel von - 30° +/- 5° KWW fremdgezündet. Bis zu einer Grenzlinie 6 verbrennt das in dem jeweiligen Brennraum angeordnete Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einer ottomotorischen Flammenfrontverbrennung (FFV). Ab der Grenzlinie 6 beginnt das durch die Flammenfrontverbrennung (FFV) weiter aufgeheizte und stärker unter Druck gesetzte Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch in eine Raumzündverbrennung (RZV) ü- berzugehen. Dabei werden eine für die Raumzündung notwendige Temperatur und ein ausreichend hoher Druck durch die voranschreitende Flammenfrontverbrennung (FFV) aufgebaut. Somit ist das NAV-Teilbetriebsverfahren in eine Phase I der homogenen Flammenfrontverbrennung (FFV) und in eine Phase II der homogenen Raumzündverbrennung (RZV) unterteilbar, wobei beide Phasen Ι,ΙΙ durch die Grenzlinie 6 begrenzt werden. In einem Zylinderdruck-/Ventilhub-Diagramm 7 der Fig. 2 ist auf einer Abszisse 8 der Kurbelwellenwinkel in Grad KWW abgetragen, während auf den Ordinaten 9,9' der Zylinderdruck P in Bar (links) bzw. der Ventilhub VH in Millimeter (rechts) aufgetragen ist. Die Kurven 10, 0', 10" referenzieren jeweils die Zylinderdruckkurven des DES-, RZV-, und NAV-Teilbetriebsverfahrens. Für diese Kurven gilt die Zylinderdruckeinteilung der linken Ordinate 9. Des Weiteren sind die DES-Ventilhub-Kurven 1 1 ,11 ' die RZV- Ventilhub- Kurven 12,12' und die NAV-Ventilhub-Kurven 13,13' in das Zylinderdruck-Ventilhub- Diagramm 7 eingezeichnet. Für diese Kurven gilt die Ventilhubeinteilung der rechten Ordinate 9'. Bei Vergleich der Ventilhub-Kurven 11 ,11', 12,12', 13,13' ist festzustellen, dass die NAV-Ventilhub-Kurven 13,13' im Vergleich zu den DES-Ventilhub-Kurven 11 ,11 ' deutlich kleiner ausfallen. Auch erstreckt sich die DES-Ventilhub-Kurve 11 ,1 1' über einen größeren Kurbelwellenwinkel-Bereich als die NAV-Ventilhub-Kurve 13,13'. Demzufolge ist bei einer derartigen DES-Ventilhub-Kurve 11 ,11 ' eine Abgasrückhaltung bzw. eine interne Abgasrückführung nur unzureichend möglich. Im Gegensatz dazu kann mit derartigen NAV-Ventilhub-Kurven 13,13' eine interne Abgasrückführung und/oder eine Abgasrückhaltung eingestellt werden.
Vergleicht man nun die RZV- Ventilhub-Kurven 12,12' und die NAV-Ventilhub-Kurven 13,13', so stellt man fest, dass die NAV-Ventilhub-Kurven 13,13' einen geringfügig höheren Ventilhub aufweisen und zudem sich über einen größeren Kurbelwellenwinkelbereich erstrecken als die RZV-Ventilhub-Kurven 12,12'. Demzufolge zeichnen sich derartige RZV- Ventilhub-Kurven 12,12' durch eine größere Abgasrückhaltung bzw. interne Abgasrückführung aus und es können dadurch höhere Temperaturen in dem jeweiligen Brennraum eingestellt werden. Jedoch ist auch aufgrund der kleinen Hübe und kurzen Öffnungszeiten die Drosselung des Luftstromes groß. Demzufolge können für einen hohen Motorlastbereich derartige RZV-Ventilhub-Kurven 12,12' nur eingeschränkt verwendet werden. Dies ist bei den vorliegenden NAV-Ventilhub-Kurven 13, 3' verbessert, da zum einen größere Ventilhübe eingestellt werden können und da zum anderen die Öffnung des Ventiles über einen größeren Kurbelwellenwinkelbereich stattfindet. Demzufolge lässt sich mittels derartiger NAV-Ventilhub-Kurven 13,13' auch eine geringere Temperatur in dem jeweiligen Brennraum einstellen und die angesaugte Luftmenge ist größer als mit den in der Fig. 2 dargestellten RZV-Ventilhub-Kurven 12,12'.
In Fig. 3 ist in einem Motorlast-/Motordrehzahl-Diagramm 14 ein Kennfeld 15 für das RZV-Teilbetriebsverfahren und ein Kennfeld 16 für das NAV-Teilbetriebsverfahren einge- zeichnet. In dem Motorlas Motordrehzahl-Diagramm 14 ist auf der Abszisse 7 die Drehzahl n abgetragen, während auf der Ordinate 18 die Motorlast M abgetragen ist. Eine Grenzkurve 19 begrenzt denjenigen Motorlast- bzw. Motordrehzahlbereich, in dem die Brennkraftmaschine betrieben werden kann. In dem Motorlast-/Motordrehzahl-Bereich 20, der nicht von dem Kennfeld 15 des RZV-Teilbetriebsverfahrens und auch nicht von dem Kennfeld 16 des NAV-Teilbetriebsverfahrens eingenommen wird, kann ein ottomotorisches Teilbetriebsverfahren durchgeführt werden.
Ein Einstellbedingungs-Diagramm 21 , dargestellt in Fig. 4, stellt schematisch Einstellbedingungen für das RZV-Teilbetriebsverfahren und für das NAV-Teilbetriebsverfahren dar. Auf einer Abszisse 22 ist die Ladungsverdünnung abgetragen, die in Richtung der Abszisse 22 abnimmt, visualisiert durch einen abnehmenden Balken 30. Demzufolge nimmt in Richtung der Abszisse 22 die Motorlast zu. Auf einer Ordinate 23 ist der Kurbelwellenwinkel des Zündzeitpunktes (ZZP) abgetragen, der ebenfalls in Orientierung der Ordinate 23 abnimmt, visualisiert durch einen abnehmenden Balken 30'. In dem Einstellbedingungs-Diagramm 21 sind die Betriebsbereiche 24, 25, 26, 27, 28, 29 eingezeichnet. Der Betriebsbereich 24 kennzeichnet einen möglichen Betriebsbereich des RZV- Teilbetriebsverfahrens. In diesem sehr hohen Ladungsverdünnungsbereich ist es nicht möglich, das dementsprechend verdünnte Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch durch eine Zündvorrichtung fremdzuzünden. In diesem Betriebsbereich 24 kann vorteilhaft das RZV- Teilbetriebsverfahren angewendet werden. Mit sinkender Ladungsverdünnung kann in dem Betriebsbereich 25 sowohl das RZV-Teilbetriebsverfahren durchgeführt werden als auch das NAV-Teilbetriebsverfahren. Durch Verwendung des NAV-Teilbetriebsverfahrens kann mittels des Zündzeitpunktes die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung zu einem früheren Kurbelwellenwinkel hin verschoben werden.
Senkt man die Ladungsverdünnung weiter ab, so kommt man in den Betriebsbereich 26, in dem das RZV-Teilbetriebsverfahren zwar durchgeführt werden kann, jedoch weist in diesem Ladungsverdünnungsbereich das RZV-Teilbetriebsverfahren eine höhere Klopfneigung auf und zeichnet sich durch einen dementsprechend hohen Druckanstieg aus. Dadurch leidet das RZV-Teilbetriebsverfahren in diesem Ladungsverdünnungsbereich unter einer erhöhten Betriebsinstabilität, die beispielhaft durch eine externe Abgasrückführung verbessert werden kann. Dieser Betriebsbereich 26 kann durch das NAV- Teilbetriebsverfahren übersprungen werden, wobei in diesem Fall ebenfalls durch dem- entsprechende Wahl des Zündzeitpunktes (ZZP) die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung zu einem geringen Kurbelwellenwinkel hin verschoben werden kann.
In dem Betriebsbereich 27 ist bevorzugt das NAV-Teilbetriebsverfahren anzuwenden. In dem Betriebsbereich 28 kann ein ottomotorisches Teilbetriebsverfahren angewendet werden. Üblicherweise kann in dem Betriebsbereich 29 weder das RZV-, NAV- oder DES- Teilbetriebsverfahren angewendet werden.
In Fig. 5 ist eine Brennkraftmaschine 31 mit einer externen Abgasrückführung 32 dargestellt. Zur Verminderung der Reaktivität des aus einem Auslassstrom 33 in einen Einlassstrom 34 über eine Abgasrückführungsleitung 35 rückgeführten Abgases ist in der Abgasrückführungsleitung 35 ein Oxidationskatalysator 36 angeordnet. Bevorzugt ist dabei der Oxidationskatalysator 36 in Abgasströmungsrichtung vor einem Abgasrückführungskühler 37 angeordnet. Ebenso bevorzugt ist der Oxidationskatalysator 36 in Abgasströmungsrichtung nach einem gegebenenfalls in der Abgasrückführungsleitung 35 angeordneten Abgasrückführungsventil 38 zur Steuerung einer Abgasrückführungsrate positioniert.
Für einen weiter verbesserten Betrieb der Brennkraftmaschine 31 ist das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine 31 entsprechend vorteilhaft auszulegen. Insbesondere wird das NAV-Teilbetriebsverfahren bei einem Verdichtungsverhältnis ε von 10 bis 13 durchgeführt.
Das Verdichtungsverhältnis ε ist der Quotient aus einem Kompressionsvolumen des Brennraums bei einer Stellung des Kolbens in seinem oberen Totpunkt und der Summe aus dem Kompressionsvolumen und dem Hubvolumen des Brennraums bei einer Stellung des Kolbens in seinem unteren Totpunkt.
Bei einem Wechsel vom RZV-Teilbetriebsverfahren zum NAV-Teilbetriebsverfahren wird das Verdichtungsverhältnis ε abgesenkt. Aufgrund des abgesenkten Verdichtungsverhältnisses ε ist die Klopfneigung deutlich reduziert und eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung, sowie eine daraus resultierende erhöhte Betriebsstabilität des NAV-Teilbetriebsverfahrens gegeben.
Bei einem Wechsel vom NAV-Teilbetriebsverfahren zum RZV-Teilbetriebsverfahren wird das Verdichtungsverhältnis ε angehoben.

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor, wobei in einem Kennfeldbereich mit niedriger bis mittlerer Drehzahl und/oder niedriger bis mittlerer Last ein RZV-Teilbetriebsverfahren durchgeführt wird, in dem ein mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch durch Kompressionszündung gezündet wird und in einer Raumzündverbrennung (RZV) verbrennt, wobei an den
Kennfeldbereich mit Kompressionszündung zu höherer Last ein weiterer
Kennfeldbereich anschließt, in dem ein NAV-Teilbetriebsverfahren durchgeführt wird, bei dem zu einem Zündzeitpunkt (ZZP) ein homogenes, mageres Kraftstoff- /Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von in einem jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei dem eine durch die Fremdzündung gestartete
Flammenfrontverbrennung (FFV) in die Raumzündverbrennung (RZV) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest in einem Teilbetriebsverfahren mit Raumzündverbrennung (RZV) eine Reaktivitätsreduktion eines mittels externer Abgasrückführung in den jeweiligen Brennraum rückgeführten Abgases vor dessen Einleitung in den jeweiligen
Brennraum durchgeführt wird.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
als ein Teilbetriebsverfahren mit zumindest teilweiser Raumzündverbrennung (RZV) ein RZV-Teilbetriebsverfahren mit hauptsächlich reiner Raumzündverbrennung (RZV) durchgeführt wird.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das RZV-Teilbetriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5 % bis 70% der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder bei einer Motorlast von 2 % bis 30 % der maximalen Motorlast der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
4. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als ein Teilbetriebsverfahren mit zumindest teilweiser Raumzündverbrennung (RZV) ein NAV-Teilbetriebsverfahren durchgeführt wird, bei dem zum Zündzeitpunkt (ZZP) ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von in dem jeweiligen Brennraum mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei der die durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht.
5. Betriebsverfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das NAV-Teilbetriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5 % bis 70 % der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder bei einer Motorlast von 10 % bis 70 % der maximalen Motorlast der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
6. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reaktivitätsreduktion mittels Oxidation der in dem Abgas auftretenden, unverbrannten Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid durchgeführt wird.
7. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reaktivitätsreduktion durch zumindest teilweises Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage in Abgasströmungsrichtung stromab eines Oxidationskatalysator durchgeführt wird.
8. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivitätsreduktion durch einen separaten, in einer Abgasrückführungsleitung angeordneten Oxidationskatalysator durchgeführt wird.
9. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Wechsel vom RZV-Teilbetriebsverfahren zum NAV-Teilbetriebsverfahren ein Verdichtungsverhältnis ε abgesenkt wird und bei einem Wechsel vom NAV- Teilbetriebsverfahren zum RZV-Teilbetriebsverfahren das Verdichtungsverhältnis ε angehoben wird.
10. Nach einem Betriebsverfahren eines der vorhergehenden Ansprüche betreibbare Brennkraftmaschine.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer Abgasrückführungsleitung (35) ein separater Oxidationskatalysator (36), insbesondere in Abgasströmungsrichtung vor einem Abgasrückführungskühler (37), angeordnet ist.
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