EP2625409A2 - Betriebsverfahren für eine brennkraftmaschine mit nox-armer verbrennung (nav) - Google Patents

Betriebsverfahren für eine brennkraftmaschine mit nox-armer verbrennung (nav)

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EP2625409A2
EP2625409A2 EP11776698.0A EP11776698A EP2625409A2 EP 2625409 A2 EP2625409 A2 EP 2625409A2 EP 11776698 A EP11776698 A EP 11776698A EP 2625409 A2 EP2625409 A2 EP 2625409A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
operating method
combustion
ignition
exhaust gas
engine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11776698.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Dieler
Dirk Haase
Rüdiger Herweg
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2625409A2 publication Critical patent/EP2625409A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02B11/00—Engines characterised by both fuel-air mixture compression and air compression, or characterised by both positive ignition and compression ignition, e.g. in different cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3017—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
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    • F02D41/3041—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode with means for triggering compression ignition, e.g. spark plug
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/005—Controlling exhaust gas recirculation [EGR] according to engine operating conditions
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention describes a method of operating an internal combustion engine, in particular for a reciprocating engine, for example for a gasoline direct injection engine in a motor vehicle, with NO x combustion -deficient (NAV).
  • a reciprocating engine for example for a gasoline direct injection engine in a motor vehicle, with NO x combustion -deficient (NAV).
  • NAV NO x combustion -deficient
  • Downsizing means designing, deploying and operating smaller displacement engines to achieve comparable or improved driveability, unlike 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
  • CONFIRMATION COPY mixed cloud as ignition initiator for the compression-ignited combustion in the combustion chamber.
  • the present invention is now concerned with the problem of providing an improved or at least an alternative operating method for a, in particular direct injection, internal combustion engine, which is characterized in particular by a safe operating stability, inter alia 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 direct-injection, multiple combustion chambers having internal combustion engine, in particular for a direct injection gasoline engine, for example a motor vehicle, with low-NO x combustion (NAV), at an ignition (ZZP) largely homogeneous, lean fuel / exhaust gas / air mixture with a combustion Air ratio of ⁇ > 1 in the respective combustion chamber by means of an igniter ignite such a way that the started in the respective combustion chamber by the spark ignition flame front combustion (FFV) in a room ignition combustion (RZV) passes.
  • FFV spark ignition flame front combustion
  • RZV room ignition combustion
  • NAV operating method This operating method according to the invention is hereinafter referred to as NAV operating method.
  • a room ignition combustion (RZV) can also be applied in a higher engine load and / or engine speed range than is possible with a pure RZV operating method.
  • RZV room ignition combustion
  • the spark ignition is ensured even in the higher engine load and / or engine speed ranges reliable ignition of the fuel or exhaust gas / air mixture in the respective combustion chamber.
  • Due to the ongoing combustion of room ignition (RZV), the NO x emission is also advantageous in the NAV operating method compared to a ottomotorischen operating method with ⁇ > 1 reduced while increased efficiency in terms of fuel consumption.
  • a direct injection, multiple combustion chambers having internal combustion engine can be operated by various operating methods. Thus, several ottomotorische operating methods are possible.
  • the stoichiometric, Otto engine operating method can be used throughout the engine load and / or engine speed range. It is preferably used when other operating methods are used in the high engine load and / or engine speed range.
  • An Otto engine operating method can be carried out externally ignited with excess air and thus with a combustion air ratio ⁇ > 1.
  • This operating method is usually also referred to as DES operating method (direct injection layer), wherein a stratified, generally lean fuel / exhaust air / 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. There- At first, one or more injections may be used to form a lean, homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture in the respective combustion chamber.
  • homogeneous region is then positioned by a final injection, which may be formed as a multiple injection, in the region of the ignition device, a mixture cloud, which is formed richer than the lean, homogeneous region.
  • a final injection which may be formed as a multiple injection
  • a mixture cloud which is formed richer than the lean, homogeneous region.
  • This method is commonly referred to as HOS (Homogeneous Layer). Due to the greasy mixture cloud in the region of the ignition device, the overall lean fuel / exhaust gas / air mixture in the combustion chamber can be ignited and converted by flame front combustion (FFV).
  • FFV flame front combustion
  • the DES and HOS split modes are preferably used in a lower engine load and / or engine speed range.
  • 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 operating 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 lean, homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture is started in the respective combustion chamber by space ignition combustion and thus compression ignited.
  • FFV flame front combustion
  • the RZV operating procedure has a significantly lower NO x emission compared to the Otto engine operating procedures and is characterized at the same time by a lower fuel consumption.
  • the NAV operating method according to the invention can now be understood as a combination of a spark-ignited, Otto engine operating method and an RZV operating method.
  • the NAV 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 Operating method compared to the ottomotor operating methods due to the occurring room ignition combustion (RZV) a reduced fuel consumption and a reduced NO x emission.
  • 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 flame combustion (FFV), which then then passes into a room ignition combustion (RZV).
  • FFV internal combustion engine flame flame combustion
  • RZV room ignition combustion
  • the NAV operating method combines the advantages of room ignition combustion (RZV) and gasoline engine, operational stable ignition of the fuel / exhaust gas / air mixture. It can be controlled by the provision of a correspondingly composed fuel / exhaust gas / air mixture in the respective combustion chamber and controlled by the external ignition by means of an ignition at the right time of this invention NAV operating method can be performed.
  • the NAV operating method is characterized by a low pressure gradient and a reduction in knock tendency. Accordingly, by means of the NAV operating method, a room ignition combustion (RZV) in a higher engine load range feasible in which the pure RZV operating 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 carried out sufficiently stable operation.
  • RZV room ignition combustion
  • room ignition combustion (RZV) operating methods have both reduced fuel consumption and reduced NO x emission values compared to stoichiometric, Otto engine combustion methods.
  • RZV room ignition combustion
  • the range of application can be extended by the NAV operating procedure with regard to the efficient combustion of room ignition.
  • the smoothness in the NAV combustion process is improved over the method of operation with space ignition.
  • 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 operating method, the ignition timing at a crankshaft angle (KWW) of -45 to -10 ° KWW is preferably arranged.
  • 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 focus of the combustion conversion is understood to mean that state of combustion in the respective combustion chamber in which 50% of the introduced fuel quantity has been converted. Usually this is calculated on the basis of the first law of thermodynamics.
  • the center of gravity of the combustion conversion is therefore the associated spherical wave angle position at which 50% of the fuel quantity arranged in the respective combustion chamber has been converted.
  • the center of gravity of the combustion conversion is arranged in the NAV operating method at a crankshaft angle 8 ° KWW.
  • a late shift may be beneficial.
  • an exactly homogeneous design is present.
  • small inhomogeneities can occur, but they have no significant influence on the respective operating method.
  • Such a homogeneous, lean fuel / exhaust / air mixture can be generated by single or multiple injection. The injections or the multiple injections are preferably carried out depending on the load and / or speed.
  • the NAV operating method is performed at an engine speed of 5% to 70% of the maximum engine speed of the internal combustion engine
  • the NAV operating method is performed at an engine load of 10% to 70% of the maximum engine load of the engine.
  • 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.
  • the NO x emission values of the NAV operating method are preferably between 0.5 and 4 g per kilowatt hour of driving.
  • the NAV operating method may be performed in combination with and / or in addition to a spark-ignited, stratified DES operating method.
  • the ignition timing (ZZP) and / or a center of gravity of the combustion conversion may be positioned at a crankshaft angle corresponding to Crankshaft angle of the ignition timing (ZZP) and / or the center of gravity of a spark-ignited, stratified DES operating method corresponds.
  • the NAV operating method is performed in an engine speed range and / or an engine load range, in which a spark-ignited, stratified DES operating method is possible.
  • the NAV operating method is carried out in combination with and / or in addition to an RZV operating method with pure space ignition transfer (RZV).
  • RZV pure space ignition transfer
  • a NAV partial operation method with mainly pure NAV combustion is performed.
  • essentially pure NAV combustion NAV
  • NAV primarily pure NAV combustion
  • this formulation is intended to focus primarily on NAV combustion (NAV) in the NAV fractional operation, but other combustion conditions may occur due to partial operation failure but that does not outweigh or negate pure NAV combustion (NAV) integral part of the partial operating procedure.
  • 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. 4 Setting conditions of the RZV and NAV operating method.
  • a combustion course diagram 1 of a NAV operating method shown in FIG. 1 the crankshaft angle in degrees KWW is plotted on an abscissa 2, while on a ordinate 3 a combustion profile BV is plotted in Joules.
  • the combustion process of the NAV operating 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 / 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 operating method is subdividable into a phase I of the homogeneous flame front combustion (FFV) and into a phase II of the homogeneous Kunststoffzündverbrennung (RZV), whereby both phases ⁇ , ⁇ are limited by the boundary line 6.
  • the 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, 10 ', 10 "respectively refer to the cylinder pressure curves of the DES, RZV, and NAV operating methods. For these curves, the cylinder pressure schedule of the left ordinate 9 applies.
  • the DES valve lift curves 11, 11' are RZV valve lift curves 12, 12 'and the NAV valve lift curves 13, 13' into the cylinder pressure valve lift diagram 7 located. For these curves, the valve lift division of the right ordinate 9 'applies.
  • FIG. 3 a map 15 for the RZV operating method and a map 16 for the NAV operating method are shown in a motor-glass engine speed diagram 14.
  • the speed n is plotted on the abscissa 17, 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.
  • an Otto engine operating method can be performed in the engine load / engine speed range 20, which is not taken up by the map 15 of the RZV operating method and also not by the map 16 of the NAV operating method.
  • An adjustment condition diagram 21, shown in FIG. 4, schematically illustrates adjustment conditions for the RZV operation method and for the NAV operation method.
  • the charge dilution is decreased, decreasing in the direction of the abscissa 22, visualized by a decreasing beam 30.
  • the engine load increases in the direction of the abscissa 22.
  • On 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 operating areas 24, 25, 26, 27, 28, 29 are located.
  • the operating area 24 identifies a possible operating range of the RZV operating method. In this very high charge dilution range, it is not possible to externally ignite the accordingly dilute fuel / exhaust gas / air mixture by means of an ignition device.
  • the RZV operating method can be used in this operating region 24.
  • both the RZV operating method and the NAV operating method can be carried out in the operating region 25.
  • the center of gravity of the combustion conversion can be shifted toward an earlier crankshaft angle by means of the ignition timing.
  • the operating range 26 in which the RZV operating method can be carried out is reached, but in this charge dilution range the RZV operating method has a higher tendency to knock and is distinguished by a correspondingly high pressure rise.
  • the RZV operating method in this charge dilution region suffers from increased operating instability, which can be improved by, for example, external exhaust gas recirculation.
  • This operating range 26 can be skipped by the NAV operating method, wherein in this case also by appropriate selection of the ignition timing (ZZP), the center of gravity of the combustion conversion can be shifted to a low crankshaft angle.
  • the NAV operating method In the operating area 27, it is preferable to apply the NAV operating method. In the operating area 28, a ottomotorisches operating method can be applied. Usually, neither the RZV, NAV or DES operating method can be used in the operating area 29.
  • the compression ratio of the internal combustion engine is correspondingly designed to be 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 NOx-armer Verbrennung (NAV). Bei dem erfindungsgemäßen NAV-Betriebsverfahren wird zu einem Zündzeitpunkt (ZZP) ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas- /Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ≥1 in dem jeweiligen Brennraum mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet, wobei eine durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht. Durch das NAV-Betriebsverfahren kann eine Raumzündverbrennung in einem Motorlastbereich durchgeführt werden, in dem ein reines RZV-Betriebsverfahren nicht mehr ausreichend betriebsstabil durchgeführt werden kann.

Description

Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit NOx-armer Verbrennung (NAV)
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 vorangegangenen, hubraumgroßen 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 konzent-
BESTÄTIGUNGSKOPIE rierte Gemischwolke als Zündinitiator für die kompressionsgezündete Verbrennung im Brennraum.
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- /Motordrehzahlbereich eingesetzt werden, da mit sinkender Ladungsverdünnung die Klopfneigung ansteigt und somit der Einsatz des RZV-Betriebsverfahrens zu höheren Mo- torlastbereichen hin beschränkt ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, ein verbessertes oder zumindest ein alternatives Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, Brennkraftmaschine anzugeben, das sich insbesondere durch eine sichere Betriebsstabilität unter anderem 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 direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor, zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges, mit NOx-armer Verbrennung (NAV), zu einem Zündzeitpunkt (ZZP) ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungs- luftverhältnis von λ >1 in dem jeweiligen Brennraum mittels einer Zündvorrichtung derart fremdzuzünden, dass die in dem jeweiligen Brennraum durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht.
Dieses erfindungsgemäße Betriebsverfahren wird fortfolgend als NAV-Betriebsverfahren bezeichnet.
Vorteilhaft kann dadurch mittels des NAV-Betriebsverfahrens zumindest teilweise eine Raumzündverbrennung (RZV) auch in einem höheren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet werden, als dies bei einem reinen RZV-Betriebsverfahren möglich ist. Durch die Fremdzündung ist dabei auch in dem höheren Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereichen eine sichere Zündung des Kraftstoff- oder Abgas-/Luftgemisches in dem jeweiligen Brennraum gewährleistet. Aufgrund der stattfindenden Raumzündverbrennung (RZV) ist dabei auch bei dem NAV-Betriebsverfahren die NOx-Emission vorteilhaft im Vergleich zu einem ottomotorischen Betriebsverfahren mit λ >1 verringert bei gleichzeitig erhöhtem Wirkungsgrad hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches.
Eine direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine kann nach verschiedenen Betriebsverfahren betrieben werden. So sind mehrere ottomotorische Betriebsverfahren möglich. Das stöchiometrische, ottomotorische Betriebsverfahren weist ein Verbrennungsluftverhältnis oder auch Luftzahl λ = 1 auf und wird durch eine Zündeinrichtung fremdgezündet, wobei sich eine Flammenfrontverbrennung (FFV) einstellt. Das stöchiometrische, ottomotorische Betriebsverfahren kann im gesamten Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet werden. Bevorzugt wird es bei Anwendung auch anderer Betriebsverfahren im hohen Motorlast- und/oder Motordrehzahlbereich angewendet.
Ein ottomotorisches Betriebsverfahren kann fremdgezündet auch mit Luftüberschuss und somit mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 durchgeführt werden. Dieses Betriebsverfahren wird üblicherweise auch als DES-Betriebsverfahren (DirektEinspritzungSchicht) 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. Da- bei kann zuerst durch eine oder mehrere Einspritzungen ein mageres, homogenes Kraft- stoff-/Abgas-/Luftgemisch in dem jeweiligen Brennraum ausgebildet werden. In diesen mageren, homogenen Bereich wird dann durch eine letzte Einspritzung, die auch als Mehrfach-Einspritzung 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 Kraft- stoff-/Abgas-/Luftgemisch in der Brennkammer gezündet werden und durch eine Flam- menfrontverbrennung (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- Betriebsverfahren 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 Betriebsverfahren, bei dem durch Fremdzündung eine Flammenfrontverbrennung (FFV) auftritt, beginnt bei dem RZV-Betriebsverfahren das in der jeweiligen Brennkammer angeordnete Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch nahezu gleichzeitig in mehreren Bereichen der jeweiligen Brennkammer durchzuzünden, sodass eine Raumzündverbrennung auftritt. Das RZV-Betriebsverfahren weist gegenüber den ottomotorischen Betriebsverfahren eine deutlich geringere NOx-Emission auf und zeichnet sich gleichzeitig durch einen geringeren Kraftstoffverbrauch aus.
Das erfindungsgemäße NAV-Betriebsverfahren kann nun als Kombination aus einem fremdgezündeten, ottomotorischen Betriebsverfahren und einem RZV-Betriebsverfahren verstanden werden. Dabei liegt bei dem NAV-Betriebsverfahren 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-Betriebsverfahren jedoch in eine Raumzündverbrennung (RZV) über. Demzufolge weist auch das NAV- Betriebsverfahren im Vergleich zu den ottomotorischen Betriebsverfahren aufgrund der auftretenden Raumzündverbrennung (RZV) einen verringerten Kraftstoffverbrauch und eine reduzierte NOx-emission auf.
Im Gegensatz zum RZV-Betriebsverfahren wird bei dem NAV-Betriebsverfahren 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 Flammen- fronverbrennung (FFV) zu verbrennen, die dann anschließend in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht. Somit kombiniert das NAV-Betriebsverfahren 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-Betriebsverfahren durchgeführt werden.
Das NAV-Betriebsverfahren zeichnet sich durch einen geringen Druckgradienten und durch eine Reduzierung der Klopfneigung aus. Demzufolge ist mittels des NAV- Betriebsverfahrens auch eine Raumzündverbrennung (RZV) in einem höheren Motorlastbereich durchführbar, in dem das reine RZV-Betriebsverfahren aufgrund des ansteigenden Druckgradienten und wegen irregulärer Verbrennungszustände, insbesondere wegen der erhöhten Klopfneigung, nicht mehr ausreichend betriebsstabil durchgeführt werden kann.
Ein Vergleich der Betriebsverfahren führt zu folgendem Ergebnis:
Betriebs¬
Kraftstoffverbrauch NGy-Emission Einsatzbereich Laufruhe verfahren
ottomoto¬
+/- +/- +++ +/- risch λ=1
DES +++ + +/-
RZV ++ +++ + +/-
NAV ++ ++ ++ ++ (- Verschlechterung, + Verbesserung, ++ £ gute Verbesserung, +++ sehr gute Verbesserung)
Demzufolge weisen Betriebsverfahren mit Raumzündverbrennung (RZV) gegenüber stö- chiometrischen, ottomotorischen Brennverfahren sowohl einen verringerten Kraftstoffverbrauch als auch reduzierte NOx-Emissionswerte auf. Zudem kann der Einsatzbereich durch das NAV-Betriebsverfahren hinsichtlich der effizienten Raumzündverbrennung erweitert werden. Auch ist die Laufruhe beim NAV Brennverfahren gegenüber dem Betriebsverfahren mit Raumzündung verbessert.
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-Betriebsverfahren 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 Ge- samtmasse an Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch, die in der jeweiligen Brennkammer vorliegt.
Bevorzugt wird bei dem NAV-Betriebsverfahren eine Ladungsverdünnung von 0,03 bis 0,05 eingestellt.
Da der Zündzeitpunkt beim NAV-Betriebsverfahren 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.
Unter einem Schwerpunkt der Verbrennungsumsetzung versteht man denjenigen Verbrennungszustand in dem jeweiligen Brennraum, bei dem 50 % der eingebrachten Kraftstoffmenge umgewandelt worden ist. Üblicherweise wird dieses auf Basis des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik berechnet. Die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung ist demzufolge die zugehörige Kugelwellenwinkel-Position, bei der 50 % der in der jeweiligen Brennkammer angeordneten Kraftstoffmenge umgesetzt worden ist.
Bevorzugt ist die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung bei dem NAV- Betriebsverfahren bei einem Kurbelwellenwinkel 8° KWW angeordnet. Bei höheren Motorlasten kann eine Spätverschiebung vorteilhaft sein. 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 Betriebsverfahren 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.
Bevorzugt wird das NAV-Betriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5 % bis 70 % der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt
Ebenfalls bevorzugt wird das NAV-Betriebsverfahren bei einer Motorlast von 10 % bis 70 % der maximalen Motorlast der Brennkraftmaschine durchgeführt.
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.
Bevorzugt liegen die NOx-Emissionswerte des NAV-Betriebsverfahrens zwischen 0,5 bis 4 g je Kilowattstunde Fahrleistung.
Das NAV-Betriebsverfahren kann in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahren durchgeführt werden.
Bevorzugt kann in diesem Fall der Zündzeitpunkt (ZZP) und/oder eine Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung bei einem Kurbelwellenwinkel positioniert sein, der dem Kurbelwellenwinkel des Zündzeitpunktes (ZZP) und/oder der Schwerpunktlage eines fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahrens entspricht.
Bevorzugt wird in diesem Fall auch das NAV-Betriebsverfahren in einem Motordrehzahlbereich und/oder einem Motorlastbereich durchgeführt, in dem auch ein fremdgezündetes, geschichtetes DES-Betriebsverfahren möglich ist.
Besonders bevorzugt wird das NAV-Betriebsverfahren in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem RZV-Betriebsverfahren mit reiner Raumzündverbringung (RZV) durchgeführt.
Bevorzugt wird als ein solches Teilbetriebsverfahren mit zumindest teilweiser NAV- Verbrennung (NAV) ein NAV-Teilbetriebsverfahren mit hauptsächlich reiner NAV- Verbrennung (NAV) durchgeführt. Dabei ist unter hauptsächlich reiner NAV-Verbrennung (NAV) idealerweise ein NAV-Teilbetriebsverfahren zu verstehen, bei dem ausschließlich NAV-Verbrennung stattfindet. Jedoch kann zu einem gewissen Prozentsatz infolge von Störungen auch eine andere Art der Verbrennung stattfinden, die somit mit der Formulierung hauptsächlich reiner NAV-Verbrennung (NAV) umfasst ist. Im Wesentlichen wird mit dieser Formulierung darauf abgezielt, dass bei dem NAV-Teilbetriebsverfahren hauptsächlich reine NAV-Verbrennung (NAV) stattfindet, wobei durch Störungen des Teilbetriebsverfahrens auch andere Verbrennungszustände auftreten können, die allerdings die reine NAV-Verbrennung (NAV) nicht überwiegen oder ein wesentlicher Bestandteil des Teilbetriebsverfahrens sind.
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.
In einem in Fig. 1 gezeigten Brennverlauf-Diagramm 1 eines NAV-Betriebsverfahrens 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- Betriebsverfahrens 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) überzugehen. Dabei werden eine für die Raumzündung notwendige Temperatur und ein ausreichend hoher Druck durch die voranschreitende Flammenfrontverbrennung (FFV) aufgebaut. Somit ist das NAV-Betriebsverfahren 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-A entilhub-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, 10', 10" referenzieren jeweils die Zylinderdruckkurven des DES-, RZV-, und NAV-Betriebsverfahrens. Für diese Kurven gilt die Zylinderdruckeinteilung der linken Ordinate 9. Des Weiteren sind die DES-Ventilhub-Kurven 11 ,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 ,11 ' 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 13,13' 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 Motorlas Motordrehzahl-Diagramm 14 ein Kennfeld 15 für das RZV-Betriebsverfahren und ein Kennfeld 16 für das NAV-Betriebsverfahren eingezeichnet. In dem Motorlast-/Motordrehzahl-Diagramm 14 ist auf der Abszisse 17 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-Betriebsverfahrens und auch nicht von dem Kennfeld 16 des NAV-Betriebsverfahrens eingenommen wird, kann ein ottomotorisches Betriebsverfahren durchgeführt werden. Ein Einstellbedingungs-Diagramm 21 , dargestellt in Fig. 4, stellt schematisch Einstellbedingungen für das RZV-Betriebsverfahren und für das NAV-Betriebsverfahren 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- Betriebsverfahrens. 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- Betriebsverfahren angewendet werden. Mit sinkender Ladungsverdünnung kann in dem Betriebsbereich 25 sowohl das RZV-Betriebsverfahren durchgeführt werden als auch das NAV-Betriebsverfahren. Durch Verwendung des NAV-Betriebsverfahrens 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-Betriebsverfahren zwar durchgeführt werden kann, jedoch weist in diesem Ladungsverdünnungsbereich das RZV-Betriebsverfahren eine höhere Klopfneigung auf und zeichnet sich durch einen dementsprechend hohen Druckanstieg aus. Dadurch leidet das RZV-Betriebsverfahren in diesem Ladungsverdünnungsbereich unter einer erhöhten Betriebsinstabilität, die durch zum Beispiel eine externe Abgasrückführung verbessert werden kann. Dieser Betriebsbereich 26 kann durch das NAV-Betriebsverfahren übersprungen werden, wobei in diesem Fall ebenfalls durch dementsprechende Wahl des Zündzeitpunktes (ZZP) die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung zu einem geringen Kurbelwellenwinkel hin verschoben werden kann.
In dem Betriebsbereich 27 ist bevorzugt das NAV-Betriebsverfahren anzuwenden. In dem Betriebsbereich 28 kann ein ottomotorisches Betriebsverfahren angewendet werden. Üblicherweise kann in dem Betriebsbereich 29 weder das RZV-, NAV- oder DES- Betriebsverfahren angewendet werden. Für einen weiter verbesserten Betrieb der Brennkraftmaschine ist das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine 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
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 mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch durch Kompressionszündung gezündet wird und in einer Raumzündverbrennung (RZV) verbrennt,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den Kennfeldbereich mit Kompressionszündung zu höherer Last ein weiterer Kennfeldbereich anschließt, in 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 und zum Zündzeitpunkt (ZZP) eine Ladungsverdünnung von 0.030 bis 0.05 Masse Kraftstoff / Gesamtmasse Brennrauminhalt vorliegt .
Betriebsverfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Zündzeitpunkt (ZZP) ein Verbrennungsluftverhältnis λ zwischen 1 und 2 vorliegt.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Kurbelwellenwinkel (KWW) von -45° bis -10° liegt und/oder die Schwerpunktlage der Verbrennungsumsetzung bei einem
Kurbelwellenwinkel (KWW) von 8° liegt, wobei die Schwerpunktlage der
Verbrennungsumsetzung in Abhängigkeit der Motorlast und/oder des
Temperaturniveaus im Zylinder nach früh oder nach spät verschobenen sein kann.
4. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das weitgehend homogene, magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch durch mehrere Einspritzungen erzeugt wird und/oder mehrere das weitgehend homogene, magere Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch erzeugende Einspritzungen lastabhängig und/oder drehzahlabhängig vorgenommen werden.
5. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Betriebsverfahren 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
eine interne Abgasrückführung und/oder eine externe Abgasrückführung durchgeführt wird/werden.
7. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die NOx-Emmisionswerte des Betriebsverfahrens zwischen 0,5 und 4 g / kWh Fahrleistung liegen.
8. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Betriebsverfahren in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem
fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahren (DirektEinspritz Schicht) durchgeführt wird und/oder
der Zündzeitpunkt (ZZP) und/oder eine Schwerpunktlage der
Verbrennungsumsetzung einem Zündzeitpunkt (ZZP) und/oder einer
Schwerpunktlage eines fremdgezündeten, geschichteten DES-Betriebsverfahrens entspricht und/oder das Betriebsverfahren in einem Motordrehzahlbereich und/oder einem
Motorlastbereich durchgeführt wird, in dem auch ein fremdgezündetes,
geschichtetes DES-Betriebsverfahren möglich ist.
9. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Betriebsverfahren in Kombination mit und/oder ergänzend zu einem RZV- Betriebsverfahren mit reiner Raumzündverbrennung (RZV) durchgeführt wird.
10. 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.
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