WO2004097199A1 - System und verfahren zum beeinflussen der ansauggastemperatur im brennraum eines verbrennungsmotors - Google Patents

System und verfahren zum beeinflussen der ansauggastemperatur im brennraum eines verbrennungsmotors Download PDF

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Erwin Bauer
Dietmar Ellmer
Thorsten Lauer
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a system for influencing the intake gas temperature and thus the energy level in the combustion chamber of an internal combustion engine, in particular an HCCI-compatible internal combustion engine, with a compression device for compressing fresh air drawn in, which has a temperature Ti before compression, and expansion means which expand the cause compressed sucked-in fresh air, the compressed and subsequently expanded fresh air having a temperature T 2 > T x .
  • the invention further relates to a method for influencing the intake gas temperature and thus the energy level in the combustion chamber of an internal combustion engine, in particular an HCCI-compatible internal combustion engine, in which fresh air drawn in, which has a temperature T i before compression, is compressed and the compressed fresh air drawn in is expanded , wherein the compressed and subsequently expanded fresh air has a temperature T 2 > T x .
  • HCCI mode Homogeneous Charge Compression Ignition
  • HCCI mode Homogeneous Charge Compression Ignition
  • exhaust gas recirculation is usually used by means of external actuators in the context of external exhaust gas recirculation or by a suitable gas exchange valve control in the context of internal exhaust gas recirculation.
  • the invention builds on the generic system in that the temperature increase of the fresh air from Ti to T 2 is used in a targeted manner to influence the temperature level and thus the energy level in the combustion chamber.
  • the energy level in the combustion chamber can be varied and adjusted very finely by increasing the temperature or regulating the temperature of the fresh gas.
  • the combustion process in HCCI mode can thus be precisely controlled.
  • the temperature level in the combustion chamber can be influenced via the degree of compression and the subsequent expansion.
  • the system according to the invention is developed in a particularly useful manner in that an exhaust gas recirculation device is provided for supplying exhaust gas from an earlier combustion cycle to fresh air or to a mixture comprising fresh air, in order after injection of fuel to produce an air / fuel / exhaust gas mixture with one for combustion to provide advantageous energy levels.
  • exhaust gas recirculation can also be used in particular, the exhaust gas recirculation rate can be used specifically to adjust the energy level in the combustion chamber.
  • the system according to the invention is particularly useful when the compression device is an exhaust gas turbocharger.
  • This is a frequently used device for increasing the gas density in the intake system, so that an increased amount of air can be provided in the combustion chamber, which leads to an increase in the performance of the internal combustion engine.
  • the compression device is driven by a turbine located in the exhaust gas stream.
  • the system is also useful when the compression device is a compressor. This also serves to compress the gas pressure in the intake system, the drive energy being provided mechanically by the internal combustion engine. Alternatively, the compressor can also be driven by means of electrical energy.
  • the expansion takes place on a throttle valve.
  • the throttle valve is used for the metered supply of fresh air, with the throttle effect reducing the pressure.
  • the air compressed in the exhaust gas turbocharger or in the compressor and expanded at the throttle valve has a higher temperature than the fresh air originally drawn in, in accordance with basic thermodynamic rules.
  • the invention is developed in a particularly advantageous manner in that a temperature sensor for detecting the temperature T 2 is arranged downstream of the expansion means in the flow direction of the fresh gas, so that this can be taken into account in the context of regulating the intake gas temperature.
  • the temperature of the fresh air downstream of the throttle valve is therefore an important input variable in order ultimately to advantageously determine the energy level in the combustion chamber for the HCCI operating mode.
  • At least one heat exchanger acting as an exhaust gas cooler is provided for lowering the temperature of the returned exhaust gas and that a coolant control valve is provided so that the coolant flow through the exhaust gas cooler is influenced by Taking measured values or model-determined values into account, the intake gas temperature can be set or regulated.
  • the recirculated exhaust gas quantity is therefore no longer necessarily linked to the temperature increase in the combustion chamber that is achieved with exhaust gas recirculation. Rather, the adjustable exhaust gas cooling allows the energy content in the combustion chamber to be set within certain limits independently of the exhaust gas recirculation rate. This means that both the mixing ratio and the energy level in the combustion chamber can be optimally adjusted.
  • the system according to the invention is advantageously further developed in that the exhaust gas cooler is arranged in a separate heat exchanger circuit.
  • the exhaust gas cooler can thus work autonomously without being influenced by other components of the motor vehicle.
  • other components of the cooling system of the vehicle are not influenced by the exhaust gas cooler.
  • the self-sufficient cooling circuit then comprises a separate cooler and a separate coolant pump.
  • the exhaust gas cooler may also be useful for the exhaust gas cooler to be arranged in an engine coolant circuit.
  • components of the engine coolant circuit can be used for exhaust gas cooling, so that an efficient system is implemented overall.
  • the exhaust gas cooler is designed as an engine or transmission oil heat exchanger. Existing components of the vehicle can also be used in this way.
  • the invention is developed in a particularly advantageous manner in that the measured values or the values determined by the model are assigned to at least one of the following variables:
  • Coolant temperature or oil temperature of the coolant or oil flowing through the exhaust gas cooler
  • Coolant mass or oil mass or coolant quantity or oil quantity of the coolant or oil flowing through the exhaust gas cooler is Coolant mass or oil mass or coolant quantity or oil quantity of the coolant or oil flowing through the exhaust gas cooler.
  • a “mass” can also be meant and vice versa.
  • the current exhaust gas temperature and the returned amount of exhaust gas are known in modern engine controls as engine operating variables. They can either be calculated using model technology or measured directly using appropriate sensors. The same applies to the quantity of fresh gas and the temperature of the fresh gas.
  • the coolant temperatures and the oil temperatures are also known. If the amount of coolant or the amount of oil flowing through the exhaust gas heat exchanger is also known, the exhaust gas temperature at the heat exchanger outlet and thus the mixing temperature of the intake air can be determined with knowledge of the heat exchanger characteristics.
  • a temperature sensor for detecting the fresh gas temperature a temperature sensor for detecting the exhaust gas temperature at the engine outlet, and an air mass or quantity measurement unit.
  • Direction for detecting the fresh gas mass or quantity and an exhaust gas mass or quantity measuring device for detecting the exhaust gas mass or quantity are provided. Knowing certain models or certain characteristics, these variables can be used to determine the essential variables for reliable control of the intake gas temperature.
  • T AG exhaust gas temperature
  • T ASG intake gas temperature
  • the intake gas temperature can thus be determined with knowledge of measured, known or also already model-calculated variables.
  • the heat flow Q m present in the heat exchanger can be calculated from knowledge of the characteristics of the heat exchanger, that is to say in particular from knowledge of the parameters k and A, taking into account the mean logarithmic temperature difference ⁇ T m . Knowing mass flows, heat capacities and other temperatures, this results in the exhaust gas temperature at the heat exchanger outlet T AGrA ⁇ s .
  • the invention builds on the generic method in that the temperature increase of the fresh air from T x to T 2 is used in a targeted manner to influence the temperature level and thus the energy level in the combustion chamber.
  • the method is developed in a particularly advantageous manner in that exhaust gas from an earlier combustion cycle is supplied with fresh air or a mixture containing fresh air, in order to provide an air / fuel / exhaust gas mixture with an energy level which is advantageous for combustion after fuel injection.
  • the method is particularly advantageous when the compression is carried out by an exhaust gas turbocharger.
  • the method is useful when compression is done by a compressor.
  • the method is developed in a particularly advantageous manner in that the temperature T is recorded after the expansion, so that this can be taken into account in the context of regulating the intake gas temperature.
  • exhaust gas is cooled in a heat exchanger which acts as an exhaust gas cooler in order to lower the temperature of the recirculated exhaust gas, and that the intake gas temperature is influenced by influencing the coolant flow through the exhaust gas cooler by means of a coolant control valve, taking into account measured values or model-determined values is set or regulated.
  • the measured values or the values determined by the model are assigned to at least one of the following variables:
  • Coolant mass or oil mass or coolant quantity or oil quantity of the coolant or oil flowing through the exhaust gas cooler is Coolant mass or oil mass or coolant quantity or oil quantity of the coolant or oil flowing through the exhaust gas cooler.
  • the fresh gas temperature, the exhaust gas temperature at the engine outlet, the fresh gas mass or quantity and the exhaust gas mass or quantity are measured.
  • the method is further developed in a useful manner in that the intake gas temperature according to the equation
  • T ASG Intake gas temperature C P, FG '• heat capacity of the fresh gas
  • ⁇ QKM m ⁇ M C p, KM VKM, AUS ⁇ • * KM, ON /
  • ⁇ T mean logarithmic temperature difference.
  • the invention is based on the finding that the energy level in the combustion chamber of the internal combustion engine can be varied very precisely and precisely controlled by the targeted influencing or the targeted consideration of the fresh gas temperature.
  • another independent instrument is available to influence the temperature level and thus to control the combustion process.
  • the invention offers the advantage in particular that, based on cold start conditions under which HCCI operation is not possible due to the temperature level being too low, the fresh gas is heated and an earlier switch to the low-emission HCCI mode is possible.
  • a further independent manipulated variable is available for influencing the temperature level and thus the energy level in the combustion chamber via the controlled setting of the exhaust gas temperature by means of exhaust gas cooling and thus an additional means of controlling the combustion process.
  • the process is influenced with regard to the ignition point of the compressed air / fuel / exhaust gas mixture and the resulting variables, such as pressure curve and combustion, peak pressure, combustion focus and Combustion rate.
  • the invention accommodates the fact that all relevant information and operating parameters, for example temperatures and masses of matter or quantities, are already available in modern engine controls, which are necessary for controlling the HCCI combustion process by means of exhaust gas temperature control.
  • the invention can also be used effectively to counter changed ambient or operating conditions by internal combustion engines, as is the case, for example, when the engine is warming up or in summer / winter operation with widely differing ambient temperatures.
  • Figure 1 is a temperature-entropy diagram for explaining thermodynamic principles of a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a preferred embodiment of a system according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a system according to the invention.
  • Figure 4 is a functional block diagram to explain the intake gas temperature control in the context of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a temperature-entropy diagram to explain the thermodynamic principles of a preferred embodiment of the present invention.
  • the temperature-entropy curves in a gas for two different pressures pl and p2 are shown. If a gas is compressed from pressure pl and temperature TI to pressure p2, this process does not run along an isentropic path (process l-2s), but with an increase in entropy (process 1-2). If there is an expansion after the compression, i.e. a decrease in pressure, this process will also not take place along an isentropic path (process 2-3s), but also with an increase in entropy (process 2-3).
  • the processes shown here of increasing the pressure from pl to p2 and the subsequent expansion to the initial level pl represent a special case.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a system according to the invention.
  • An internal combustion engine 10 with exhaust gas recirculation device 14 and exhaust gas turbocharger 16 is shown.
  • exhaust gas recirculation device 14 and exhaust gas turbocharger 16 is shown.
  • a throttle valve 18 is arranged.
  • the exhaust line of the internal combustion engine 10 is equipped with an exhaust gas cooler 32.
  • the special features of the exhaust gas cooler 32 are not dealt with in the context of the present illustration according to FIG. 2.
  • An exhaust gas recirculation valve 36 is provided in the exhaust gas recirculation 14.
  • the system includes measuring devices or sensors 20, 22, 24, 26, 28, 30 at various points, the output signals of which can be fed to a control / regulating / computing unit 34.
  • an air mass measuring device 28 a temperature sensor 20 which, in the direction of flow of the fresh air, downstream of the throttle valve 18 Detection of the fresh air temperature is arranged, a temperature sensor 22 for detecting the temperature of the intake gas before flowing into the combustion chamber 12 of the internal combustion engine 10, an exhaust gas temperature sensor 24 and a temperature sensor 26 for detecting the temperature at the air / exhaust gas mixing point.
  • a temperature sensor 22 for detecting the temperature of the intake gas before flowing into the combustion chamber 12 of the internal combustion engine 10
  • an exhaust gas temperature sensor 24 for detecting the temperature at the air / exhaust gas mixing point.
  • the temperature sensor 26 can be omitted if the intake gas temperature is determined in accordance with the calculations explained in connection with FIG. 3.
  • Output signals of these measuring devices and sensors 20, 22, 24, 26, 28 can be supplied to the control / regulating / computing unit 34, which in turn can control components of the system, such as the exhaust gas recirculation valve 36, the exhaust gas cooler 32, the throttle valve 18 and the exhaust gas turbocharger 16. These components can thus be influenced in their function and ultimately contribute to providing the desired energy level in the combustion chamber 12 of the internal combustion engine 10.
  • Fresh air is drawn in and compressed by the exhaust gas turbocharger 16, which is driven by the exhaust gas stream. This compressed air must pass through the throttle valve 18 so that expansion occurs. Because of the thermodynamic principles shown in connection with FIG. 1, the air behind the throttle valve 18 has a higher temperature than the fresh air originally drawn in.
  • the air enters the combustion chamber 12 of the internal combustion engine 10. After the combustion, exhaust gas is emitted, which is cooled in an exhaust gas cooler 32. The cooled exhaust gas is partially emitted via the exhaust line. In part, the cooled exhaust gas 32 is returned via the exhaust gas recirculation 14 and in particular the exhaust gas recirculation valve 36 to the input side of the internal combustion engine 10.
  • control / regulating / computing unit 34 can influence the system in such a way that an energy level in the combustion chamber 12 of the combustion chamber that is suitable for HCCI operation Internal combustion engine 10 is present.
  • An essential part of the intake gas temperature control is described in connection with FIG. 4.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a system according to the invention, the particular preferred embodiment with exhaust-gas cooling being specifically discussed here.
  • An internal combustion engine 10 with an external exhaust gas recirculation device 14 is shown.
  • the exhaust gas recirculation device 14 comprises an exhaust gas recirculation valve 36, via which the exhaust gas recirculation rate can be set.
  • the exhaust gas recirculation device 14 further comprises a heat exchanger 32 which acts as an exhaust gas cooler.
  • the exhaust gas heat exchanger 32 continues to be flowed through by a coolant via a coolant system 46.
  • a cooler 48 is provided for cooling the coolant.
  • the exhaust gas heat exchanger circuit is designed as a parallel circuit.
  • the cooler 48 in particular being able to be designed as a separate cooler; it is also conceivable to share the radiator of the engine cooling. Cooling can also be done with engine or gear oil.
  • the coolant system 46 further comprises a coolant control valve 50, via which the amount of coolant flowing through the exhaust gas cooler 32 can be adjusted.
  • the system shown works as follows. Exhaust gas emerging from the internal combustion engine 10 is partly returned to the intake side of the internal combustion engine 10 via the exhaust gas recirculation device 14.
  • the exhaust gas mass flow m AG can be adjusted by means of the exhaust gas recirculation valve 36.
  • the exhaust gas At the entrance of the exhaust gas cooler 32, the exhaust gas has a temperature T AG ON , and at the exit of the exhaust gas cooler 32 the exhaust gas has a temperature T AG Aas , which will generally be lower than the temperature at the entrance.
  • the coolant 32 can be set by setting the coolant mass flow m m via the coolant control valve 50 ' will.
  • the coolant has the temperature T mtEItl at the inlet of the exhaust gas cooler 32 and the temperature m ⁇ AUS at the outlet of the exhaust gas cooler 32, the latter generally being higher than the temperature at the inlet.
  • the coolant is then cooled in the cooler 48.
  • the influence of the coolant flow through the exhaust gas cooler 32 through the coolant control valve 50 can thus be used to adjust or regulate the intake gas temperature of the exhaust gas flowing into the internal combustion engine 10, taking into account measured values or values determined by model technology.
  • the exhaust gas temperature T AGrA ⁇ s at the outlet of the exhaust gas cooler 32 can be calculated using the following equation system, for example:
  • T ASG mean logarithmic temperature difference.
  • T ASG intake gas temperature
  • FIG. 4 shows a functional block diagram to explain the intake gas temperature control in the context of a method according to the invention.
  • the functional units shown can be components of the control / regulating system shown in FIG.
  • a device 38 for calculating the desired exhaust gas temperature is provided. This is connected to a device 40 for calculating the coolant flow through the exhaust gas cooler 32 shown in FIG. 1.
  • the device 40 for calculating the coolant flow is in turn connected to a controller 44 via a controlled system 42. Furthermore, signals are shown in FIG. 2, signals with the ending AV denoting current values, while signals with the ending SP denoting target values.
  • the intake gas temperature control works as follows.
  • a setpoint for the temperature of the intake air in the intake manifold (TIA_IM_SP) is specified in accordance with the engine operating conditions. This is calculated together with the current fresh gas temperature (TIA_AV) and the masses of the fresh gas supplied (MAF_KGH_AV) and the returned exhaust gas. ses (M_EGR_AV) of the device 38 for calculating the exhaust gas target temperature. This is calculated taking into account the specific heat capacity of the supplied fresh air (c p, L UFT) and the exhaust gas (c p, Agas) the Abgastempe- temperature at the mixing point (T_EGR_DOWN__SP), which is required to achieve the desired gas temperature obtaining in the intake manifold.
  • the desired value (T_EGR_DOWN_SP) determined by the device 38 for calculating the exhaust gas target temperature is compared with the actual exhaust gas temperature at the engine outlet (T_EGR_UP_AV) upstream of the exhaust gas cooler. From the difference, a coolant flow (M_COOL) through the exhaust gas cooler is determined, which is required to obtain the desired exhaust gas temperature at the mixing point (T_EGR_DOWN_SP).
  • M_COOL coolant flow
  • the coolant flow is converted via the control section 42 into a specific gas temperature in the intake manifold (TIA_IM_AV), which will be present after a certain settling phase.
  • This gas temperature in the intake manifold (TIA_IM_AV) is compared with the setpoint (TIA_IM_SP) in controller 44. If the values differ from each other, the coolant flow through the exhaust gas cooler is corrected by one value ( ⁇ M_COOL), so that the desired intake air temperature is ultimately set according to the setpoint (TIA_IM_SP) using a suitable exhaust gas temperature at the mixing point (T_EGR_DOWN_AV).
  • the air mass measuring device 28 determines the value MAF_KGH_AV.
  • the recirculated exhaust gas component M_EGR_AV is relieved within the scope of exhaust gas recirculation by appropriate activation of exhaust gas recirculation valve knows.
  • the fresh gas temperature TIA_AV is measured by the temperature sensor 20 behind the throttle valve 18.
  • the intake gas temperature TIA_IM_AV is detected by the temperature sensor 22 before it enters the combustion chamber 12 of the combustion engine 10.
  • the temperature sensor 24 at the outlet from the combustion chamber 12 of the internal combustion engine 10 detects the exhaust gas temperature T_EGR_UP_AV.
  • the temperature TIA_EGR_DOWN_AV at the mixing point can be detected by the temperature sensor 26, although this is not absolutely necessary for the control described in connection with FIG. 4.
  • the invention can be summarized as follows: In the case of an HCCI-compatible internal combustion engine, which is preferably equipped with an exhaust gas recirculation device 14, a system and a method are proposed, on the basis of which an improved adjustment of the temperature level in the combustion chamber can take place. In addition to the temperature setting via the exhaust gas recirculation device 14, there is an independent influence on the temperature due to the compression of the fresh air drawn in by the exhaust gas turbocharger 16, whereby a temperature increase is maintained even after expansion of the compressed air at a throttle valve 18, which ultimately ultimately influences the energy content can be used in the combustion chamber 12.

Abstract

Bei einem HCCI-fähigen Verbrennungsmotor, der vorzugsweise mit einer Abgasrückführeinrichtung (14) ausgestattet ist, werden ein System und ein Verfahren vorgeschlagen, auf deren Grundlage eine verbesserte Einstellung des Temperaturniveaus im Brennraum erfolgen kann. Neben der Temperatureinstellung über die Abgasrückführeinrichtung (14) erfolgt eine davon unabhängige Beeinflussung der Temperatur aufgrund der Verdichtung der angesaugten Frischluft durch den Abgasturbolader (16), wobei auch nach Expansion der verdichteten Luft an einer Drosselklappe (18) eine Temperaturerhöhung erhalten bleibt, die letztlich gezielt zur Beeinflussung des Energieinhalts im Brennraum (12) genutzt werden kann.

Description

Beschreibung
System und Verfahren zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur im Brennraum eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft ein System zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur und damit des Energieniveaus im Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors, mit einer Verdichtungseinrichtung zum Verdichten von angesaugter Frischluft, die vor der Verdichtung eine Temperatur Ti aufweist, sowie Expansionsmitteln, die eine Expansion der verdichteten angesaugten Frischluft bewirken, wobei die verdichtete und nachfolgend expandierte Frischluft eine Temperatur T2 > Tx aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur und damit des Energieniveaus im Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI- fähigen Verbrennungsmotors, bei dem angesaugte Frischluft, die vor der Verdichtung eine Temperatur Ti aufweist, verdichtet wird, und die verdichtete angesaugte Frischluft expandiert wird, wobei die verdichtete und nachfolgend expandierte Frischluft eine Temperatur T2 > Tx aufweist.
Im Zusammenhang mit Benzin-Direkteinspritzsystemen sind unterschiedliche Betriebsbedingungen bekannt. Diesen ist gemeinsam, dass eine Direkteinspritzung von Kraftstoff unter Hochdruck direkt in einen Brennraum erfolgt. Die Gemischbildung erfolgt dann innerhalb des Brennraums. Herkömmlich un- terscheidet man die Betriebsarten Homogenbetrieb und Schicht- beziehungsweise Magerbetrieb. Beim Homogenbetrieb liegt ein homogen über den gesamten Brennraum verteiltes Gemisch vor. Beim Schicht- beziehungsweise Magerbetrieb liegt nur im Bereich der Zündkerze ein Gemisch mit einer Luftzahl λ < 1 vor. Das verbleibende Volumen des Brennraums ist mit angesaugter Frischluft, einem Inertgas aus der Abgasrückführung oder ei- nem sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt, so dass sich insgesamt eine Luftzahl von λ > 1 ergibt.
Neben diesen herkömmlichen Betriebsarten wird vermehrt eine weitere Betriebsart als erfolgversprechend eingeschätzt, die dem Betrieb des selbstzündenden Dieselmotors ähnelt. Diese ist als HCCI-Betriebsart (Homogeneous Charge Compression Ignition) bekannt und stellt ein selbstzündendes Brennverfahren dar, bei dem der Zündzeitpunkt und damit der Verbren- nungsverlauf über die reaktive Energiemenge im Zylinder gesteuert wird. Um ein ausreichendes Energieniveau bereitzustellen, bedient man sich üblicherweise einer Abgasrückführung über externe Stellmittel im Rahmen einer externen Abgasrückführung oder durch eine geeignete Gaswechselventilsteue- rung im Rahmen einer internen Abgasrückführung.
Bei der Einstellung des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum über die Abgasrückführrate ist jedoch zu berücksichtigen, dass dies nur innerhalb bestimmter Gren- zen erfolgen kann. Da die Abgasrückführrate nicht nur das
Temperaturniveau im Brennraum sondern auch das Mischungsverhältnis von Luft, Kraftstoff und Abgas beeinflusst, ist es unter Umständen nicht möglich, die Abgasrückführrate sowohl im Hinblick auf die Temperatur im Brennraum als auch im Hin- blick auf das genannte Mischungsverhältnis optimal zu wählen. Somit können Kompromisse bei der Einstellung der Abgasrückführrate erforderlich werden, um einen zuverlässigen Betrieb des Verbrennungsmotors sicherzustellen.
Im Zusammenhang mit herkömmlich gezündeten Verbrennungsmotoren wurde bereits vorgeschlagen, eine gekühlte Abgasrückführung zu verwenden, wobei diese Kühlung des Abgases insbesondere auf eine Reduzierung der Stickoxidemissionen abzielte. Hierzu wird beispielsweise auf MTZ Motortechnische Zeit- schrift 60 (1999) 7/8, Seite 470 ff. verwiesen: "Einhaltung zukünftiger Emissionsvorschriften durch gekühlte Abgasrückführung" von Karl-Heinrich Lösing und Rainer Lutz. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch die die Einstellung der Temperatur im Brennraum des Verbrennungsmotors zumindest teilweise von der Einstellung des optimalen Mischungsverhältnisses von Luft, Kraftstoff und Abgas entkoppelt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen System dadurch auf, dass die Temperaturerhöhung der Frischluft von Ti auf T2 zur Beeinflussung des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum gezielt eingesetzt wird. Auf diese Weise kann das Energieniveau im Brennraum durch Temperaturerhöhung beziehungsweise Temperaturregelung der Frischgastemperatur sehr fein variiert und eingestellt werden. Somit kann der Verbrennungsprozess im HCCI-Modus genau kontrolliert werden. Das Temperaturniveau im Brennraum kann dabei über den Verdichtungsgrad und die anschließende Expansion beeinflusst werden.
Das erfindungsgemäße System ist in besonders nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass eine Abgasrückführeinrichtung zum Zuführen von Abgas eines früheren Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft aufweisenden Gemisch vorgesehen ist, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen. Neben der Beeinflussung des Temperaturniveaus durch Verdichtung und Expansion kann somit zusätzlich die Abgasrückführung und dabei insbesondere die Abgasrückführrate gezielt zur Einstellung des Energieniveaus im Brennraum eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße System ist insbesondere dann nützlich einsetzbar, wenn die Verdichtungseinrichtung ein Abgasturbolader ist. Dabei handelt es sich um eine häufig verwendete Vorrichtung zur Erhöhung der Gasdichte im Ansaugsystem, so dass im Brennraum eine erhöhte Luftmenge bereitgestellt werden kann, was zu einer Leistungserhöhung des Verbrennungsmo- tors führt. Angetrieben wird die Verdichtungseinrichtung durch eine im Abgasstrom liegende Turbine.
Ebenso ist das System nützlich einsetzbar, wenn die Verdichtungseinrichtung ein Kompressor ist. Dieser dient ebenfalls zur Verdichtung des Gasdrucks im Ansaugsystem, wobei die Antriebsenergie mechanisch vom Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt wird. Alternativ hierzu kann der Kompressor auch mittels elektrischer Energie angetrieben werden.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Expansion an einer Drosselklappe erfolgt. Bei Direkteinspritzsystemen dient die Drosselklappe dem dosierten Zuführen von Frischluft, wobei durch die Drosselwirkung eine Verringerung des Druckes erfolgt. Letztlich weist die im Abgasturbolader oder im Kom- pressor verdichtete und an der Drosselklappe expandierte Luft gemäß thermodynamischer Grundregeln eine höhere Temperatur auf als die ursprünglich angesaugte Frischluft.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur T2 in Strömungsrichtung des Frischgases stromab den Expansionsmitteln angeordnet ist, so dass diese im Rahmen einer Regelung der Ansauggastemperatur berücksichtigt werden kann. Die Temperatur der Frischluft stromab der Drosselklappe ist somit eine wichtige Eingangsgröße, um letztlich das Energieniveau im Brennraum für die HCCI-Betriebsart vorteilhaft festzulegen. Im Zusammenhang mit einem mit Abgasrückführung ausgestatteten System erweist es sich als besonders nützlich, dass mindestens ein als Abgaskühler wirkender Wärmetauscher zur Absen- kung der Temperatur des zurückgeführten Abgases vorgesehen ist und dass ein Kühlmittelstellventil vorgesehen ist, so dass durch Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses durch den Abgaskühler unter Berücksichtigung von Messwerten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten die Ansauggastempe- ratur eingestellt beziehungsweise geregelt werden kann. Die zurückgeführte Abgasmenge ist daher nicht mehr zwingend an die mit der Abgasrückführung erreichte Temperaturerhöhung im Brennraum gekoppelt. Vielmehr lässt sich über die einstellbare Abgaskühlung der Energieinhalt im Brennraum in gewissen Grenzen unabhängig von der Abgasrückführrate einstellen. Somit können sowohl das Mischungsverhältnis und das Energieniveau im Brennraum optimal eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße System ist in vorteilhafter Weise da- durch weitergebildet, dass der Abgaskühler in einem separaten Wärmetauscherkreis angeordnet ist. Der Abgaskühler kann somit autark ohne Beeinflussung durch andere Komponenten des Kraftfahrzeugs arbeiten. Ebenso findet keine Beeinflussung anderer Komponenten des Kühlsystems des Fahrzeugs durch den Abgasküh- 1er statt. Der autarke Kühlkreislauf umfasst dann einen separaten Kühler und eine separate Kühlmittelpumpe.
Es kann aber auch nützlich sein, dass der Abgaskühler in einem Motorkühlmittelkreis angeordnet ist. Auf diese Weise kön- nen Komponenten des Motorkühlmittelkreises für die Abgaskühlung genutzt werden, so dass insgesamt ein effizientes System realisiert wird.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Abgaskühler als Motor- beziehungsweise Getriebeölwärmetauscher ausgelegt ist. Auch hierdurch können bestehende Komponenten des Fahrzeugs mitgenutzt werden. Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Messwerte beziehungsweise die modelltechnisch ermittelten Werte mindestens einer der folgen- den Größen zugeordnet sind:
Abgastemperatur, zurückgeführte Abgasmasse beziehungsweise -menge,
Frischgastemperatur, - Frischgasmasse beziehungsweise -menge, Ansauggastemperatur,
Ansauggasmasse beziehungsweise -menge,
Kühlmitteltemperatur beziehungsweise Öltemperatur des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungs- weise Öls und
Kühlmittelmasse beziehungsweise Ölmasse beziehungsweise Kühlmittelmenge beziehungsweise Ölmenge des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls.
Wenn nachfolgend der Begriff "Menge" verwendet wird, kann auch eine "Masse" gemeint sein und umgekehrt. Die aktuelle Abgastemperatur und die zurückgeführte Abgasmenge sind in modernen Motorsteuerungen als Motorbetriebsgrößen bekannt. Sie können entweder modelltechnisch errechnet oder über entspre- chende Sensoren direkt gemessen werden. Ebenso verhält es sich mit der Frischgasmenge und der Frischgastemperatur. Die Kühlmitteltemperaturen und die Öltemperaturen sind ebenfalls bekannt. Ist ferner die Kühlmittelmenge beziehungsweise die Ölmenge bekannt, die durch den Abgaswärmetauscher strömt, können in Kenntnis der Wärmetauschercharakteristik die Abgastemperatur am Wärmetauscheraustritt und damit die Mischtemperatur der Ansaugluft bestimmt werden.
Als besonders nützlich hat es sich erwiesen, dass ein Tempe- ratursensor zum Erfassen der Frischgastemperatur, ein Temperatursensor zum Erfassen der Abgastemperatur am Motoraustritt, eine Luftmassen- beziehungsweise -mengenmessein- richtung zum Erfassen der Frischgasmasse beziehungsweise - menge und eine Abgasmassen- beziehungsweise -mengenmessein- richtung zum Erfassen der Abgasmasse beziehungsweise -menge vorgesehen sind. Aus diesen Größen lassen sich in Kenntnis bestimmter Modelle beziehungsweise bestimmter Charakteristiken die wesentlichen Größen für eine zuverlässige Regelung der Ansauggastemperatur bestimmen.
So ist das System in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Ansauggastemperatur gemäß der Gleichung
LASG mFGCp,FG + mAGCp,AG berechnet wird, wobei
mFG : Frischgasmassenstrom ήιAG : Abgasmassenstrom
TFG : Frischgastemperatur
TAG : Abgastemperatur TASG : Ansauggastemperatur
C P,FG - Wärmekapazität des Frischgases
C P,AG - Wärmekapazität des Abgases.
Die Ansauggastemperatur kann somit in Kenntnis von gemesse- nen, bekannten beziehungsweise ebenfalls bereits modelltechnisch berechneten Größen ermittelt werden.
In diesem Zusammenhang ist es nützlich, dass die Abgastemperatur am Wärmetauscherausgang unter Verwendung des folgenden Gleichungssystems berechnet wird:
Figure imgf000009_0001
ΔQm = mKMCp,KM V-KM,AUS ~ ^KM,EIN J
ΔQAG
Figure imgf000009_0002
) Q -MwxW = kMT„
wobei
Q ■ Wärmeström KM Kühlmittel AG Abgas WT Wärmetauscher c p ' ■ Wärmekapazität k : Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers A : Heizfläche des Wärmetauschers Δ T. mittlere logarithmische Temperaturdifferenz.
Aus der Kenntnis der Charakteristik des Wärmetauschers, das heißt insbesondere in Kenntnis der Parameter k und A lässt sich unter Berücksichtigung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz ΔTm also der im Wärmetauscher vorliegende Wärmestrom Qm errechnen. Hieraus ergibt sich in Kenntnis von Massenströmen, Wärmekapazitäten und weiteren Temperaturen die Abgastemperatur am Wärmetauscherausgang TAGrAυs .
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass die Temperaturerhöhung der Frischluft von Tx auf T2 zur Beeinflussung des Temperaturniveaus und damit des Ener- gieniveaus im Brennraum gezielt eingesetzt wird. Auf diese
Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Systems auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass Abgas eines früheren Verbrennungszyklus Frischluft beziehungsweise einem Frischluft aufweisenden Gemisch zugeführt wird, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen. Das Verfahren zeichnet sich besonders dann als vorteilhaft aus, wenn die Verdichtung durch einen Abgasturbolader erfolgt.
Gleichermaßen ist das Verfahren dann nützlich, wenn die Verdichtung durch einen Kompressor erfolgt.
Nützlicherweise ist weiterhin vorgesehen, dass die Expansion an einer Drosselklappe erfolgt.
Das Verfahren ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Temperatur T nach der Expansion er- fasst wird, so dass diese im Rahmen einer Regelung der Ansauggastemperatur berücksichtigt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass Abgas in einem als Abgaskühler wirkenden Wärmetauscher zur Absenkung der Temperatur des zurückgeführten Abgases gekühlt wird und dass durch Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses durch den Abgaskühler mittels eines Kühlmittelstellventils unter Berücksichtigung von Messwerten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten die Ansauggastemperatur eingestellt beziehungsweise geregelt wird.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Messwerte beziehungsweise die modelltechnisch ermittelten Werte mindestens einer der folgenden Größen zugeordnet sind:
- Abgastemperatur, zurückgeführte Abgasmasse beziehungsweise -menge,
Frischgastemperatur,
Frischgasmasse beziehungsweise -menge,
Ansauggastemperatur, - Ansauggasmasse beziehungsweise -menge, Kühlmitteltemperatur beziehungsweise Öltemperatur des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls und
Kühlmittelmasse beziehungsweise Ölmasse beziehungsweise Kühlmittelmenge beziehungsweise Ölmenge des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls.
Als besonders nützlich hat es sich erwiesen, dass die Frischgastemperatur, die Abgastemperatur am Motora-ustritt , die Frischgasmasse beziehungsweise -menge und die Abgasmasse beziehungsweise -menge gemessen werden.
Das Verfahren ist in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Ansauggastemperatur gemäß der Gleichung
TASG = ■ , ■ mFGCp,FG "*" mAGCp,AG berechnet wird, wobei
mFG : Frischgasmassenstrom mAG : Abgasmassenstrom
TFG : Frischgastemperatur
TAG : Abgastemperatur
TASG : Ansauggastemperatur C P, FG '• Wärmekapazität des Frischgases
C P,AG '- Wärmekapazität des Abgases.
In diesem Zusammenhang ist es nützlich, dass die Abgastemperatur am Wärmtauscherausgang unter Verwendung des folgenden Gleichungssystems berechnet wird:
Figure imgf000012_0001
ΔQKM = mκMCp,KM VKM,AUS ~~ •* KM, EIN /
ΔQAC = mAGCp,AG '-AG,EIN ~ ■*■ AG, AUS ) ά - N™T. = kAΔT„
wobei
Q : Wärmestrom KM Kühlmittel AG Abgas WT Wärmetauscher
CP: Wärmekapazität k : Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers
A : Heizfläche des Wärmetauschers
ΔT mittlere logarithmische Temperaturdifferenz.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die gezielte Beeinflussung beziehungsweise die gezielte Berücksichtigung der Frischgastemperatur das Energieniveau im Brennraum des Verbrennungsmotors sehr fein variiert und genau kontrolliert werden kann. Neben dem Prinzip -der Abgasrückführung steht somit ein weiteres unabhängiges Instrument zur Be- einflussung des Temperaturniveaus und damit zur Verbrennungsprozesskontrolle zur Verfügung. Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, dass, ausgehend von Kaltstartbedingungen, unter denen ein HCCI-Betrieb aufgrund des zu niedrigen Temperaturniveaus nicht möglich ist, das Frischgas aufgeheizt und somit ein früheres Umschalten in den emissionsgünstigen HCCI-Modus möglich ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es besonders nützlich, dass über die kontrollierte Einstellung der Abgastemperatur mittels Abgasküh- lung neben der Abgasrückführrate und dem Prinzip von Verdich- tung und Expansion eine weitere unabhängige Stellgröße zum Beeinflussen des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum zur Verfügung steht und damit ein zusätzliches Mittel zur Verbrennungsprozesskontrolle. Die Einfluss- nahme auf den Prozess erfolgt hinsichtlich des Entzündungs- Zeitpunktes des komprimierten Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisches und der sich daraus ergebenden Folgegrößen, wie Druckverlauf und Verbrennung, Spitzendruck, Verbrennungsschwerpunkt und Verbrennungsgeschwindigkeit. Diese wiederum sind entscheidend verantwortlich für das gesamtmotorische Verhalten im Hinblick auf Wirkungsgrad, Emissionen, Laufunruhe und Akustik. Der Erfindung kommt die Tatsache entgegen, dass in modernen Mo- torsteuerungen alle relevanten Informationen und Betriebsgrößen, beispielsweise Temperaturen und Stoffmassen beziehungsweise Mengen, bereits vorliegen, die zur Kontrolle des HCCI- Verbrennungsprozesses mittels Abgastemperaturregelung nötig sind. Die Erfindung kann auch wirksam eingesetzt werden, um veränderten Umgebungs- oder Betriebsbedingungen verbrennungsmotorisch zu begegnen, wie es zum Beispiel beim Motorwarmlauf oder im Sommer-/Winterbetrieb bei stark unterschiedlichen Umgebungstemperaturen der Fall ist.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 ein Temperatur-Entropie-Diagramm zur Erläuterung thermodynamischer Grundlagen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems; und
Figur 4 ein Funktionsblockdiagramm zur Erläuterung der Ansauggastemperaturregelung im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens .
Figur 1 zeigt ein Temperatur-Entropie-Diagramm zur Erläuterung thermodynamischer Grundlagen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem Diagramm sind die Temperatur-Entropie-Verläufe in einem Gas für zwei verschiedene Drücke pl und p2 dargestellt. Wird ein Gas ausgehend vom Druck pl und der Temperatur TI auf den Druck p2 verdichtet, so verläuft dieser Vorgang nicht entlang einer Isentropen (Vorgang l-2s), sondern unter Entropiezunahme (Vorgang 1-2) . Findet nach der Verdichtung eine Expansion, das heißt eine Druckabnahme statt, so wird auch dieser Vorgang nicht entlang einer Isentropen erfolgen (Vorgang 2-3s) , sondern ebenfalls unter Zunahme der Entropie (Vorgang 2-3) . Die hier dargestellten Vorgänge einer Druckerhöhung von pl auf p2 und der nachfolgenden Expansion auf das Ausgangsniveau pl stellen einen Sonderfall dar. Eine Expansion auf ein beliebiges anderes Druckniveau erfolgt ebenfalls unter Zunahme der Entropie. Letztlich hat das Gas nach Verdichtung von pl auf p2 und Expansion von p2 auf pl ein höheres Temperaturniveau als vor der Verdichtung; die Temperatur ist von TI auf T3 gestiegen. Die gewünschte Temperaturänderung kann beim Verbrennungsmotor somit über den Verdichtungsgrad und die anschließende Expansion, beispielsweise an der Drosselklappe, eingestellt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Es ist ein Verbrennungsmotor 10 mit Abgasrückführeinrichtung 14 und Ab- gasturbolader 16 dargestellt. In der Frischluftzufuhr des
Verbrennungsmotors 10 ist eine Drosselklappe 18 angeordnet. Der Abgasstrang des Verbrennungsmotors 10 ist mit einem Abgaskühler 32 ausgestattet. Auf die besonderen Merkmale des Abgaskühlers 32 wird im Rahmen der vorliegenden Darstellung gemäß Figur 2 nicht eingegangen. In der Abgasrückführung 14 ist ein Abgasrückführventil 36 vorgesehen. Weiterhin umfasst das System an verschiedenen Stellen Messeinrichtungen beziehungsweise Sensoren 20, 22, 24, 26, 28, 30, deren Ausgangssignale einer Steuer-/Regel-/Recheneinheit 34 zugeführt wer- den können. Im Einzelnen sind vorgesehen: eine Luftmassen- messeinrichtung 28, ein Temperatursensor 20, der in Strömungsrichtung der Frischluft stromab der Drosselklappe 18 zur Erfassung der Frischlufttemperatur angeordnet ist, ein Temperatursensor 22 zur Erfassung der Temperatur des Ansauggases vor Einströmen in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10, ein Abgastemperatursensor 24 sowie ein Temperatursensor 26 zur Erfassung der Temperatur am Luft/Abgas-Mischpunkt. Diese Sensoren müssen nicht zwingend vorhanden sein, um die vorliegende Erfindung zu realisieren. Beispielsweise kann der Temperatursensor 26 fortgelassen werden, wenn die Ansauggastemperatur gemäß den im Zusammenhang mit Figur 3 erläuterten Be- rechnungen ermittelt wird. Ausgangssignale dieser Messeinrichtungen und Sensoren 20, 22, 24, 26, 28 können der Steuer- /Regel-/Recheneinheit 34 zugeführt werden, die wiederum Komponenten des Systems ansteuern kann, wie zum Beispiel das Ab- gasrückführventil 36, den Abgaskühler 32, die Drosselklappe 18 und den Abgasturbolader 16. Diese Komponenten können somit in ihrer Funktion beeinflusst werden und letztlich zur Bereitstellung des gewünschten Energieniveaus im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 beitragen.
Das in Figur 2 dargestellte System arbeitet wie folgt.
Frischluft wird angesaugt und vom Abgasturbolader 16, der vom Abgasstrom angetrieben wird, verdichtet. Diese verdichtete Luft muss die Drosselklappe 18 passieren, so dass es zu einer Expansion kommt. Aufgrund der im Zusammenhang mit Figur 1 dargestellten thermodynamischen Prinzipien hat die Luft hinter der Drosselklappe 18 eine höhere Temperatur als die ursprünglich angesaugte Frischluft. Die Luft gelangt in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10. Nach der Verbrennung wird Abgas ausgestoßen, das in einem Abgaskühler 32 gekühlt wird. Das gekühlte Abgas wird teilweise über den Abgasstrang emittiert. Teilweise wird das gekühlte Abgas 32 über die Abgasrückführung 14 und insbesondere das Abgasrückführventil 36 zur Eingangsseite des Verbrennungsmotors 10 zurückgeführt. Aufgrund der von den Messeinrichtungen und Sensoren 20, 22, 24, 26, 28 erfassten Signale kann die Steuer-/Regel-/Rechen- einheit 34 das System so beeinflussen, dass letztlich ein für den HCCI-Betrieb geeignetes Energieniveau im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 vorliegt. Ein wesentlicher Teil der Ansauggastemperaturregelung wird im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems, wobei hier speziell auf die besonders bevorzugte Ausführungsform mit Abgaskühlung eingegangen wird. Es ist ein Verbrennungsmotor 10 mit einer äußeren Abgasrückführ- einrichtung 14 dargestellt. Die Abgasrückführeinrichtung 14 umfasst ein Abgasrückführventil 36, über das die Abgasrückführrate einstellbar ist. Die Abgasrückführeinrichtung 14 umfasst weiterhin einen als Abgaskühler wirkenden Wärmetauscher 32. Der Abgaswärmetauscher 32 wird weiterhin über ein Kühlmittelsystem 46 von einem Kühlmittel durchströmt. Zur Kühlung des Kühlmittels ist ein Kühler 48 vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel ist der Abgaswärmetauscherkreis als Parallelkreis ausgelegt. Es sind jedoch auch zahlreiche andere Varianten zur Abgaskühlung denkbar, wobei insbesondere der Kühler 48 als separater Kühler ausgelegt sein kann; ebenfalls ist es denkbar, den Kühler der Motorkühlung mitzubenutzen. Die Kühlung kann auch durch Motor- oder Getriebeöl erfolgen.
Das Kühlmittelsystem 46 umfasst weiterhin ein Kühlmittelstellventil 50, über das die Kühlmittelmenge, die durch den Abgaskühler 32 strömt, einstellbar ist.
Das dargestellte System arbeitet wie folgt. Aus dem Verbrennungsmotor 10 austretendes Abgas wird teilweise über die Abgasrückführeinrichtung 14 zur Einlassseite des Verbrennungs- motors 10 zurückgeführt. Dabei lässt sich der Abgasmassenstrom mAG mittels des Abgasrückführventils 36 einstellen. Am Eingang des Abgaskühlers 32 hat das Abgas eine Temperatur TAG EIN , und am Ausgang das Abgaskühlers 32 hat das Abgas eine Temperatur TAG Aas , die im Allgemeinen kleiner sein wird als die Temperatur am Eingang. Die Kühlwirkung das Abgaskühlers
32 kann dadurch eingestellt werden, dass über das Kühlmittelstellventil 50 der Kühlmittelmassenstrom mm eingestellt 'wird. Das Kühlmittel hat am Eingang des Abgaskühlers 32 die Temperatur TmtEItl und am Ausgang des Abgaskühlers 32 die Temperatur m^AUS , wobei letztere im Allgemeinen höher sein wird als die Temperatur am Eingang. Eine Abkühlung des Kühlmittels erfolgt dann im Kühler 48. Über die Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses durch den Abgaskühler 32 durch das Kühlmittelstellventil 50 kann somit unter Berücksichtigung von Messwerten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten die Ansauggastemperatur des in den Verbrennungsmotor 10 einströmenden Abgases eingestellt beziehungsweise geregelt werden.
Die Abgastemperatur TAGrAυs am Ausgang des Abgaskühlers 32 kann dabei beispielsweise unter Verwendung des folgenden Glei- chungssystems berechnet werden:
ΔQK = ΔQß = ά -WT
ΔQK mKMCp,KM KM, AUS - T K, M, EIN ,
ΔUAG mAGCp,AG V- AG,EIN AG,AUS )
QNΨ = kAΔ
wobei
Q : Wärmestrom
KM : Kühlmittel
AG : Abgas
WT : Wärmetauscher
CP : Wärmekapazität k : Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers
A : Heizfläche des Wärmetauschers
ΔTm : mittlere logarithmische Temperaturdifferenz. Die Temperatur des Ansauggases, nachfolgend als TASG bezeichnet, kann dann gemäß der folgenden Gleichung ermittelt werden:
ASG
7 l71FG C^p,FG + mAGCp,AG berechnet wird, wobei
mFG : Frischga-smassenstrom mAG : Abgasmassenstrom
TFG : Frischgastemperatur
TAG : Abgastemperatur
TASG : Ansauggastemperatur
C P, FG • ' Wärmekapazität des Frischgases C P,AG '• Wärmekapazität des Abgases.
Figur 4 zeigt ein Funktionsblockdiagramm zur Erläuterung der Ansauggastemperaturregelung im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die dargestellten Funktionseinheiten können Be- standteile der in Figur 1 dargestellten Steuer-/Regel-
/Recheneinheit 34 sein. Es ist eine Einrichtung 38 zur Berechnung der Abgassolltemperatur vorgesehen. Diese ist mit einer Einrichtung 40 zur Berechnung des Kühlmitteldurchflusses durch den in Figur 1 dargestellten Abgaskühler 32 verbun- den. Die Einrichtung 40 zur Berechnung des Kühlmitteldurch- flusses steht wiederum über eine Regelstrecke 42 mit einem Regler 44 in Verbindung. Weiterhin sind in Figur 2 Signale dargestellt, wobei Signale, die die Endung AV aufweisen, aktuelle Werte kennzeichnen, während Signale, die die Endung SP aufweisen, Sollwerte kennzeichnen.
Die Ansauggastemperaturregelung gemäß Figur 4 arbeitet wie folgt. Entsprechend den Motorbetriebsbedingungen wird ein Sollwert für die Temperatur der Ansaugluft im Saugrohr (TIA_IM_SP) vorgegeben. Dieser wird zusammen mit der aktuellen Frischgastemperatur (TIA_AV) und den Massen des zugeführten Frischgases (MAF_KGH_AV) sowie des zurückgeführten Abga- ses (M_EGR_AV) der Einrichtung 38 zur Berechnung der Abgassolltemperatur zugeführt. Diese berechnet unter Berücksichtigung der spezifischen Wärmekapazitäten der zugeführten Frischluft (cp, Luft) und des Abgases (cp, Agas) die Abgastempe- ratur am Mischpunkt (T_EGR_DOWN__SP) , die erforderlich ist, um die gewünschte Gastemperatur im Saugrohr zu erhalten. In der Einrichtung 40 zur Berechnung des Kühlmitteldurchflusses wird der von der Einrichtung 38 zur Berechnung der Abgassolltemperatur ermittelte Sollwert (T_EGR_DOWN_SP) mit der tatsächli- chen Abgastemperatur am Motoraustritt (T_EGR_UP_AV) vor dem Abgaskühler verglichen. Aus der Differenz wird ein Kühlmit- teldurchfluss (M_COOL) durch den Abgaskühler bestimmt, der erforderlich ist, um die gewünschte Abgastemperatur am Mischpunkt (T_EGR_DOWN_SP) zu erhalten. Dieser Kühlmittelfluss wird dann durch eine entsprechende Ansteuerung einer elektrischen Kühlmittelpumpe realisiert, wobei ebenso gut andere Arten der Durchflussregelung möglich sind. Der Kühlmitteldurch- fluss wird entsprechend der vorliegenden Regelung über die Regelstrecke 42 in eine bestimmte Gastemperatur im Saugrohr (TIA_IM_AV) umgesetzt, wobei diese nach einer gewissen Einschwingphase vorliegen wird. Diese Gastemperatur im Saugrohr (TIA_IM_AV) wird mit dem Sollwert (TIA_IM_SP) im Regler 44 verglichen. Weichen die Werte voneinander ab, so wird der Kühlmitteldurchfluss durch den Abgaskühler um einen Wert (ΔM_COOL) korrigiert, so dass sich letztlich über eine geeignete Abgastemperatur am Mischpunkt (T_EGR_DOWN_AV) die gewünschte Ansauglufttemperatur gemäß dem Sollwert (TIA_IM_SP) einstellt .
Um die im Zusammenhang mit Figur 4 erläuterte Regelung mit dem in Figur 2 dargestellten System besser in Beziehung setzen zu können, wird nachfolgend im Einzelnen angegeben, wo die für die Regelung verwendeten Werte gemessen beziehungsweise eingestellt werden sollen. Die Luftmassenmesseinrich- tung 28 ermittelt den Wert MAF_KGH_AV. Der zurückgeführte Abgasanteil M_EGR_AV ist im Rahmen der Abgasrückführung durch entsprechende Ansteuerung des Abgasrückführventils 36 be- kannt . Die Frischgastemperatur TIA_AV wird durch den Temperatursensor 20 hinter der Drosselklappe 18 gemessen. Die Ansauggastemperatur TIA_IM_AV wird durch den Temperatursensor 22 vor dem Eintritt in den Brennraum 12 des Verbrennungs o- tors 10 erfasst. Der Temperatursensor 24 am Austritt aus dem Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 erfasst die Abgastemperatur T_EGR_UP_AV. Zusätzlich kann die Temperatur TIA_EGR_DOWN_AV am Mischpunkt durch den Temperatursensor 26 erfasst werden, wobei dieser allerdings für die im Zusammen- hang mit Figur 4 beschriebene Regelung nicht unbedingt erforderlich ist.
Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen: Bei einem HCCI-fähigen Verbrennungsmotor, der vorzugsweise mit einer Abgasrückführeinrichtung 14 ausgestattet ist, werden ein System und ein Verfahren vorgeschlagen, auf deren Grundlage eine verbesserte Einstellung des Temperaturniveaus im Brennraum erfolgen kann. Neben der Temperatureinstellung über die Abgasrückführeinrichtung 14 erfolgt eine davon unabhängige Be- einflussung der Temperatur aufgrund der Verdichtung der angesaugten Frischluft durch den Abgasturbolader 16, wobei auch nach Expansion der verdichteten Luft an einer Drosselklappe 18 eine Temperaturerhöhung erhalten bleibt, die letztlich gezielt zur Beeinflussung des Energieinhalts im Brennraum 12 genutzt werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. System zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur und damit des Energieniveaus im Brennraum (12) eines Verbrennungs- motors (10) , insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors ( 10) , mit
einer Verdichtungseinrichtung (16) zum Verdichten von angesaugter Frischluft, die vor der Verdichtung eine Tempe- ratur Ti aufweist, sowie
Expansionsmitteln (18), die eine Expansion der verdichteten angesaugten Frischluft bewirken,
- wobei die verdichtete und nachfolgend expandierte Frischluft eine Temperatur T2 > Ti aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperaturerhöhung der Frischluft von Ti auf T2 zur Beeinflussung des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum (12) gezielt eingesetzt wird.
2. System nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Abgasrückführeinrichtung zum Zuführen von Abgas eines früheren Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft aufweisenden Gemisch vorgesehen ist, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Abgas- Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energie- niveau bereitzustellen.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verdichtungseinrichtung ein Abgasturbolader (16) ist.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verdichtungseinrichtung ein Kompressor ist.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Expansion an einer Drosselklappe (18) erfolgt.
6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Temperatursensor (20) zum Erfassen der Temperatur T2 in Strömungsrichtung des Frischgases stromab den Expansionsmitteln angeordnet ist, so dass diese im Rahmen einer Regelung der Ansauggastemperatur berücksichtigt werden kann.
7. System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass mindestens ein als Abgaskühler (32) wirkender Wärmetauscher zur Absenkung der Temperatur des zurückgeführten Abgases vorgesehen ist, und
dass eine Kühlmittelstellventil (50) vorgesehen ist, so dass durch Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses durch den Abgaskühler (32) unter Berücksichtigung von Messwer- ten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten die Ansauggastemperatur eingestellt beziehungsweise geregelt werden kann.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abgaskühler (32) in einem separaten Wärmetauscherkreis (46) angeordnet ist.
9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abgaskühler in einem Motorkühlmittelkreis angeordnet ist .
10. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abgaskühler als Motor- beziehungsweise Getriebeöl- Wärmetauscher ausgelegt ist.
11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messwerte beziehungsweise die modelltechnisch ermit- telten Werte mindestens einer der folgenden Größen zugeordnet sind:
Abgastemperatur, zurückgeführte Abgasmasse beziehungsweise -menge, - Frischgastemperatur,
Frischgasmasse beziehungsweise -menge,
Ansauggastemperatur,
Ansauggasmasse beziehungsweise -menge,
Kühlmitteltemperatur beziehungsweise Öltemperatur des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls und
Kühlmittelmasse beziehungsweise Ölmasse beziehungsweise Kühlmittelmenge beziehungsweise Ölmenge des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls.
12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Temperatursensor (20) zum Erfassen der Frischgastemperatur, ein Temperatursensor (24) zum Erfassen der Abgastem- peratur am Motoraustritt, eine Luftmassen- beziehungsweise - mengenmesseinrichtung (28) zum Erfassen der Frischgasmasse beziehungsweise -menge und eine Abgasmassen- beziehungsweise -mengenmesseinrichtung (28) zum Erfassen der Abgasmasse beziehungsweise -menge vorgesehen sind.
13. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansauggastemperatur gemäß der Gleichung
LASG m GCp,FG + IaAGCp, G berechnet wird, wobei
m FG ' Frischgasmassenstrom m AG ' Abgasmassenstrom
T F,G Frischgastemperatur
Abgastemperatur
T ASG Ansauggastemperatur
'P,FG Wärmekapazität des Frischgases
C p,AG Wärmekapazität des Abgases.
14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgastemperatur am Wärmtauscherausgang unter Verwendung des folgenden Gleichungssystems berechnet wird:
Figure imgf000025_0001
ΔQ KM ULKM^p,KM fc KM, AUS - T K,M, EIN ,
ΑUAG mAGCp,AGV-AG,EIN ^AG,AUSj
Qwτ = kAΔ
wobei
Q : Wärmestrom KM Kühlmittel AG Abgas NT Wärmetauscher
CP : Wärmekapazität k : Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers
A : Heizfläche des Wärmetauschers ΔT„ mittlere logarithmische Temperaturdifferenz.
15. Verfahren zum Beeinflussen der Ansauggastemperatur und damit des Energieniveaus im Brennraum (12) eines Verbrennungsmotors (10) , insbesondere eines HCCI-fähigen Verbren- nungsmotors (10), bei dem
angesaugte Frischluft, die vor der Verdichtung eine Temperatur i aufweist, verdichtet wird und
die verdichtete angesaugte Frischluft expandiert wird,
wobei die verdichtete und nachfolgend expandierte Frischluft eine Temperatur T2 > Tx aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperaturerhöhung der Frischluft von Tx auf T2 zur Beeinflussung des Temperaturniveaus und damit des Energieniveaus im Brennraum (12) gezielt eingesetzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Abgas eines früheren Verbrennungszyklus Frischluft beziehungsweise einem Frischluft aufweisenden Gemisch zugeführt wird, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein
Luft/Kraftstoff/Abgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verdichtung durch einen Abgasturbolader (16) erfolgt .
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verdichtung durch einen Kompressor erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Expansion an einer Drosselklappe (18) erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperatur T2 nach der Expansion erfasst wird, so dass diese im Rahmen einer Regelung der Ansauggastemperatur berücksichtigt werden kann.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass Abgas in einem als Abgaskühler (32) wirkenden Wärme- tauscher zur Absenkung der Temperatur des zurückgeführten Abgases gekühlt wird, und
dass durch Beeinflussung des Kühlmitteldurchflusses durch den Abgaskühler (32) mittels eines Kühlmittelstellventils (50) unter Berücksichtigung von Messwerten beziehungsweise modelltechnisch ermittelten Werten die Ansauggastemperatur eingestellt beziehungsweise geregelt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messwerte beziehungsweise die modelltechnisch ermittelten Werte mindestens einer der folgenden Größen zugeordnet sind:
- Abgastemperatur, zurückgeführte Abgasmasse beziehungsweise -menge,
Frischgastemperatur,
Frischgasmasse beziehungsweise -menge,
Ansauggastemperatur, - Ansauggasmasse beziehungsweise -menge, Kühlmitteltemperatur beziehungsweise Öltemperatur des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls und
Kühlmittelmasse beziehungsweise Ölmasse beziehungsweise Kühlmittelmenge beziehungsweise Ölmenge des durch den Abgaskühler strömenden Kühlmittels beziehungsweise Öls.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Frischgastemperatur, die Abgastemperatur am Motoraustritt, die Frischgasmasse beziehungsweise -menge und die Abgasmasse beziehungsweise -menge gemessen werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansauggastemperatur gemäß der Gleichung
T ^ASG = . ■ mFGCp,FG + mAG p,AG berechnet wird, wobei
ήιFG : Frischgasmassenstrom ώAG : Abgasmassenstrom
TFG : Frischgastemperatur TAG : Abgastemperatur
TASG : Ansauggastemperatur
C P,FG '• Wärmekapazität des Frischgases
C P,AG '■ Wärmekapazität des Abgases.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgastemperatur am Wärmtauscherausgang unter Verwendung des folgenden Gleichungssystems berechnet wird:
Figure imgf000028_0001
^QKM ~ K[KMCP,KM KM,AUS ~ J- KM, EIN) ΔQAr. = m GCp,AG (T AG, EIN ' ACAUS J
Qwτ = kAΔ T
wobei
Q ■ Wärmest rom KM Kühlmittel AG Abgas WT Wärmetauscher
CP - Wärmekapazität k : Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers
A : Heizfläche des Wärmetauschers ΔT mittlere logarithmische Temperaturdifferenz.
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