EP2625410A2 - Betriebsverfahren mit wassereinspritzung s in einer brennkraftmaschine während des wechsels zwischen den hcci-brennverfahren und den - brennverfahren mit fremdzündung (si) - Google Patents

Betriebsverfahren mit wassereinspritzung s in einer brennkraftmaschine während des wechsels zwischen den hcci-brennverfahren und den - brennverfahren mit fremdzündung (si)

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EP2625410A2
EP2625410A2 EP11778510.5A EP11778510A EP2625410A2 EP 2625410 A2 EP2625410 A2 EP 2625410A2 EP 11778510 A EP11778510 A EP 11778510A EP 2625410 A2 EP2625410 A2 EP 2625410A2
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EP
European Patent Office
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operating method
combustion
ignition
injection
rzv
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11778510.5A
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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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Publication date
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    • 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 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
  • CONFIRMATION COPY mixed cloud as ignition initiator for the compression-ignited combustion in the combustion chamber.
  • the characteristic area of the respective partial operating method can be expanded by means of water injection, the field of application of a pure RZV partial operating method is limited despite water injection.
  • the present invention deals with the problem for an operating method for an internal combustion engine, in particular directly injected, having multiple combustion chambers an improved or at least provide an alternative embodiment, which is characterized in particular by a larger engine load and / or engine speed range, in which a Room ignition combustion can be practiced.
  • the invention is thus 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 Part operating method to use the NAV partial operation method in which at least by means of injection water is injected into the respective combustion chamber, wherein in the NAV partial operation method at an ignition time (ZZP) a substantially homogeneous, lean fuel / exhaust gas / air mixture with a combustion air ratio of is externally ignited in the respective combustion chamber by means of an ignition device and the flame front combustion (FFV) started by the spark ignition passes into a room ignition combustion (RZV).
  • ZZP ignition time
  • FFV flame front combustion
  • the NAV partial operating method can also be carried out to higher engine loads in comparison with the NAV partial operating method without water injection, and because of the at least partially occurring room ignition combustion (RZV), a reduction of the NO x emissions is possible.
  • RZV room ignition combustion
  • Such an injection of water is preferably carried out before an ignition point (ZZP) of a fuel / exhaust gas / air mixture arranged in the respective combustion chamber.
  • ZZP ignition point
  • a water injection is possible from the time of Close the exhaust valve to the ignition timing (ZZP).
  • the amount of water can be introduced by means of single or multiple injection into the respective combustion chamber.
  • a water injection during the intake stroke causes a uniform lowering of the mixture temperature.
  • late injection of water during the compression stroke allows the formation of a thermal stratification and targeted utilization thereof.
  • the injection of water during the intake or compression stroke is operating point dependent, load and / or speed to choose.
  • An injection of water can be made immediately before a start of the room ignition combustion (RZV).
  • An injection of water is preferably carried out as a function of the pressure prevailing in the respective combustion chamber.
  • the temperature of the fuel / exhaust gas / air mixture can be controlled and controlled so that it becomes possible to use the NAV partial operation method even in engine load ranges that have no water injection due to the increased tendency to knock and the reduced Operational stability would not be suitable.
  • a direct injection, multiple combustion chambers having internal combustion engine can be operated by various operating methods or with different partial operating methods. So several ottomotorische partial operating methods are possible.
  • 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.
  • 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.
  • 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 a 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 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 lean, homogeneous fuel / exhaust gas / air mixture is started in the respective combustion chamber by space ignition combustion and thus compression ignited.
  • the fuel / exhaust gas / air mixture arranged in the respective combustion chamber begins to be ignited almost simultaneously in a plurality of regions of the respective combustion chamber, so that a room ignition combustion occurs.
  • the RZV partial operating procedure has a significantly lower NO x emission compared with 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 is 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. It can be controlled by the provision of a correspondingly composed fuel / exhaust gas / air mixture in the respective combustion chamber, as well as controlled by the external ignition by means of an ignition at the right time of this invention NAV partial operation method can be performed.
  • the NAV partial operation method is characterized by a low pressure gradient and a reduction in knock tendency. Consequently, by means of the NAV partial operation procedure, a room ignition combustion (RZV) in a higher engine load range feasible, in which the pure RZV partial operating method due to the increasing pressure gradient and because of irregular combustion conditions, in particular because of the increased tendency to knock, can no longer be carried out 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 compared to the partial operation method with space ignition is improved.
  • the combustion air ratio is a dimensionless physical quantity describing a mixture composition of a fuel-ZAbgas-ZLuftgemisches.
  • 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 cycle 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.
  • an exactly homogeneous design is present.
  • small inhomogeneities may occur, but they have no significant influence on the respective partial operating procedure.
  • Such a homogeneous, lean fuel / exhaust gas / air mixture can be generated by single or multiple injection.
  • the injections or the multiple injections are made load-dependent and / or speed-dependent.
  • 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.
  • the NAV partial operation method is performed at an engine load of 10% to 70% of the maximum engine load of the internal combustion 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 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 timing (ZZP) and / or a center of gravity of the combustion conversion may be positioned at such a crankshaft angle, which corresponds to the crank angle of the ignition timing (ZZP) and / or the center of gravity of a spark-ignited, stratified DES partial operation 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
  • 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 partial operating method shown in FIG. 1 the crankshaft angle in degrees KWW is plotted on an abscissa 2, while a combustion curve in Joules is plotted on an ordinate 3.
  • the combustion process of the NAV partial operation method is represented by a curve 4.
  • One in the respective burning space arranged fuel / exhaust gas / air mixture is externally ignited to 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 which has been heated further by the flame front combustion (FFV) and is pressurized more intensely, begins to be converted into a room ignition combustion.
  • FFV flame front combustion
  • a temperature necessary for the space ignition and a sufficiently high pressure are built up by the progressive flame front combustion (FFV).
  • 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.
  • the crankshaft angle in degrees KWW is plotted on an abscissa 8
  • the cylinder pressure in bar or the valve lift in millimeters is plotted on the ordinates 9, 9 '.
  • the curves 10, 10 ', 10 "respectively refer to the cylinder pressure curves of the DES, RZV, and NAV partial operating modes. For these curves, the cylinder pressure graduation of the ordinate 9 applies.
  • a map 15 for the RZV partial operating method and a map 16 for the NAV partial operating method are shown in a motor glass engine speed diagram 14.
  • the speed is plotted on the abscissa 17, while on the ordinate 18, the engine load 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 NAV partial operation method can be shifted by means of the ignition timing, the center of gravity of the combustion conversion to an earlier crankshaft angle.
  • 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 by, for example, an external exhaust gas recirculation.
  • This operating range 26 can be skipped by the NAV partial operating method, in which case the center of gravity of the combustion conversion can likewise be shifted towards a low crankshaft angle by the appropriate selection of the ignition point (ZZP).
  • 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.
  • 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 ⁇ When changing from the RZV partial operating method to the NAV partial operating method, 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. When changing from the NAV partial operation method to the RZV partial operation method, the compression ratio ⁇ is raised.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest teilweiser NOx-armer Verbrennung (NAV) und mit mehreren Teilbetriebsverfahren, wobei ein NAV- Teilbetriebsverfahren eingesetzt wird, bei dem zumindest mittels einer Einspritzung Wasser in den jeweiligen Brennraum eingespritzt wird, wobei bei dem NAV- Teilbetriebsverfahrens 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 wird und die durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht. Durch die Einspritzung von Wasser kann das NAV-Teilbetriebsverfahren auch bei höheren Motorlasten betriebsstabil durchgeführt werden.

Description

Betriebsverfahren mit Wassereinspritzung
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 CCVEmissionswerte 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 konzent-
BESTÄTIGUNGSKOPIE rierte Gemischwolke als Zündinitiator für die kompressionsgezündete Verbrennung im Brennraum.
In der DE102006041467A1 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 gleichzeitigem 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 Motorlastbereichen hin beschränkt ist.
In der PE102007047026A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors beschrieben. Im Zuge des Betriebsverfahrens wird die Verbrennung im Ottomotor kompressions- gezündet gestartet und nach dem Einsetzen einer Selbstzündung des Kraftstoff-/Abgas- /Luftgemisches in den Brennraum Wasser eingespritzt.
Aus der US7574983B2 ist ein Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit dem die Brennkraftmaschine im homogenen kompressionsgezündeten (HCCI) und/oder im fremdgezündeten (Sl) Betrieb gefahren werden kann. Durch Injektion von Wasser in den Brennraum während des Expansionstaktes kann zumindest teilweise die Reaktionswärme bei der Verbrennung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches reduziert werden und somit unbeabsichtigte Verbrennungszustände vermieden werden.
Zwar kann mittels Wassereinspritzung der Kennfeldbereich des jeweiligen Teilbetriebsverfahrens erweitert werden, jedoch ist trotz Wassereinspritzung der Einsatzbereich eines reinen RZV-Teilbetriebsverfahrens limitiert. Somit beschäftigt sich vorliegende Erfindung mit dem Problem für ein Betriebsverfahren für eine, insbesondere direkt eingespritzte, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen größeren Motorlast- und/oder Motordreh- zahlbereich auszeichnet, in dem eine Raumzündverbrennung praktiziert werden kann.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht somit 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, das NAV-Teilbetriebsverfahren einzusetzen, bei dem zumindest mittels einer Einspritzung Wasser in den jeweiligen Brennraum eingespritzt wird, wobei bei dem NAV-Teilbetriebsverfahrens zu einem Zündzeitpunkt (ZZP) ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von in dem jeweiligen Brennraum mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet wird und die durch die Fremdzündung gestartete Flammenfrontverbrennung (FFV) in eine Raumzündverbrennung (RZV) übergeht.
Aufgrund der Einspritzung von Wasser in den Brennraum kann vorteilhaft eine Reduzierung der Druckanstiege und eine Verminderung der Klopfneigung erreicht werden. Zudem ist mittels Wassereinspritzung das NAV-Teilbetriebsverfahren auch im Vergleich zu dem NAV-Teilbetriebsverfahren ohne Wassereinspritzung zu höheren Motorlasten hin durchführbar und aufgrund der zumindest teilweise stattfindenden Raumzündverbrennung (RZV) ist eine Reduzierung der NOx-Emissionen möglich.
Bevorzugt wird eine solche Einspritzung von Wasser vor einem Zündzeitpunkt (ZZP) eines in der jeweiligen Brennkammer angeordneten Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches vorgenommen. Dabei kann eine derartige Einspritzung von Wasser während eines Kompressionstaktes, während eines Expansionstaktes und/oder während eines Ansaugtaktes vorgenommen werden. Prinzipiell ist eine Wassereinspritzung möglich vom Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils bis zum Zündzeitpunkt (ZZP). Die Wassermenge kann dabei mittels Einfach- oder Mehrfacheinspritzung in den jeweiligen Brennraum eingebracht werden. Dabei bewirkt eine Wassereinspritzung während des Ansaugtaktes eine gleichmäßige Absenkung der Gemischtemperatur. Eine späte Wassereinspritzung während des Kompressionstaktes dagegen ermöglicht die Ausbildung einer thermischen Schichtung und eine gezielte Ausnutzung derselben. Die Einspritzung des Wassers während des Ansaug- oder Kompressionstaktes ist betriebspunktabhängig, Last- und/oder Drehzahl, zu wählen.
Wird eine Ladungswechselstrategie mit Restgasrückhaltung betrieben, so ist es ebenfalls denkbar, dass zumindest eine Einspritzung von Wasser während der Zwischenkompression stattfindet. Dabei tritt eine derartige Zwischenkompression dann auf, wenn das Aus- lass- und das Einlassventil vor dem Ausstoßen der gesamten Abgasmenge geschlossen sind, sodass ein Teil des Abgases als Restgas in dem Brennraum rückbehalten wird und dieses bei fortschreitendem Einfahren des Kolbens in den Brennraum zwischenkomprimiert wird.
Es kann eine Einspritzung von Wasser unmittelbar vor einem Start der Raumzündverbrennung (RZV) vorgenommen werden.
Bevorzugt wird eine Einspritzung von Wasser in Abhängigkeit des in dem jeweiligen Brennraum herrschenden Druckes vorgenommen. Es ist aber auch eine Einspritzung von Wasser in Abhängigkeit der in dem jeweiligen Brennraum herrschenden Temperatur denkbar und vorteilhaft.
Somit kann mit der Einspritzung von Wasser in den Brennraum die Temperatur des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches kontrolliert und gesteuert werden, sodass es möglich wird, dass NAV-Teilbetriebsverfahren auch in Motorlastbereichen einzusetzen, die sich ohne Wassereinspritzung aufgrund der erhöhten Klopfneigung und der verringerten Betriebsstabilität nicht eignen würden.
Eine direkteinspritzende, mehrere Brennräume aufweisende Brennkraftmaschine kann nach verschiedenen Betriebsverfahren bzw. mit verschiedenen Teilbetriebsverfahren betrieben werden. So sind mehrere ottomotorische Teilbetriebsverfahren möglich. Das stö- chiometrische, 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 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 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 Motor- lastbereich 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.
Vergleich der Teilbetriebsverfahren führt zu folgendem Ergebnis:
(- £ 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.
Unter einem mageren Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch ist ein Kraftstoff-ZAbgas- ZLuftgemisch zu verstehen, das ein Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1 und somit einen Luftüberschuss aufweist, während ein fettes Kraftstoff-ZAbgas-ZLuftgemisch zumindest ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 aufweist.
Das Verbrennungsluftverhältnis ist eine dimensionslose, physikalische Größe, mit der eine Gemischzusammensetzung eines Kraftstoff-ZAbgas-ZLuftgemisches beschrieben wird. Das Verbrennungsluftverhältnis λ wird dabei als Quotient aus der tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse und der mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse für eine vollständige Verbrennung des vorhandenen Kraftstof- fes 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 ehrfacheinspritzung erzeugt werden. Bevorzugt werden die Einspritzungen bzw. die Mehrfach-Einspritzungen lastabhängig und/oder drehzahlabhängig vorgenommen.
Bevorzugt wird das NAV-Teilbetriebsverfahren bei einer Motordrehzahl von 5 % bis 70 % der maximalen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt.
Ebenfalls bevorzugt wird das NAV-Teilbetriebsverfahren 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.
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 Motordrehzahlbereich 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.
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.
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-Teilbetriebsverfahrens ist auf einer Abszisse 2 der Kurbelwellenwinkel in Grad KWW abgetragen, während auf einer Ordinate 3 ein Brennverlauf in Joule aufgetragen ist. Der Brennverlauf des NAV- Teilbetriebsverfahrens ist durch eine Kurve 4 dargestellt. Ein in dem jeweiligen Brenn- räum 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 überzugehen. 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-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 in Bar bzw. der Ventilhub in Millimeter aufgetragen ist. Die Kurven 10, 10', 10" re- ferenzieren jeweils die Zylinderdruckkurven des DES-, RZV-, und NAV- Teilbetriebsverfahrens. Für diese Kurven gilt die Zylinderdruckeinteilung der 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. 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 ,1 ' 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 eine interne Abgasrückführung und/oder eine Abgasrückhaltung eingestellt werden.
Vergleicht man nun die RZV-Ventilhub-Kurven 12,12' und die NAV-Ventilhub-Kurven 3,13', 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 Öff- nungszeiten die Drosselung des Luftstromes groß. Demzufolge können für einen hohe Motorlastbereich derartige RZV-Ventilhub-Kurven 2,12' 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-Teilbetriebsverfahren und ein Kennfeld 16 für das NAV-Teilbetriebsverfahren eingezeichnet. In dem Motorlas Motordrehzahl-Diagramm 14 ist auf der Abszisse 17 die Drehzahl abgetragen, während auf der Ordinate 18 die Motorlast 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 durch zum Beispiel 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.
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 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 λ>1 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 bei dem NAV-Teilbetriebsverfahren zumindest mittels einer Einspritzung Wasser in den jeweiligen Brennraum eingespritzt wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zeitweise das RZV-Teilbetriebsverfahrens durch ein DES- Teilbetriebsbrennverfahren ersetzt wird, so dass anstatt des RZV- Teilbetriebsverfahrens das DES-Teilbetriebsverfahren zur Anwendung kommt.
Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Einspritzung von Wasser während eines Kompressionstaktes vorgenommen wird.
4. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Einspritzung von Wasser vor und/oder nach dem Zündzeitpunkt (ZZP) vorgenommen wird.
5. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Einspritzung von Wasser während eines Expansionstaktes vorgenommen wird.
6. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Einspritzung von Wasser während eines Ansaugtaktes
vorgenommen wird.
7. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Einspritzung von Wasser vor einem Start der
Raumzündverbrennung (RZV) vorgenommen wird.
8. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Falle einer Abgasrückhaltung zumindest eine Einspritzung von Wasser während einer Zwischenkompression vorgenommen wird.
9. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Einspritzung von Wasser in Abhängigkeit des in dem jeweiligen Brennraum herrschenden Druckes vorgenommen wird.
10. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einspritzung von Wasser in Abhängigkeit der in dem jeweiligen Brennraum herrschenden Temperatur vorgenommen wird.
11. 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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