WO2005047684A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2005047684A1
WO2005047684A1 PCT/EP2004/011517 EP2004011517W WO2005047684A1 WO 2005047684 A1 WO2005047684 A1 WO 2005047684A1 EP 2004011517 W EP2004011517 W EP 2004011517W WO 2005047684 A1 WO2005047684 A1 WO 2005047684A1
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fuel
ignition
compression
internal combustion
combustion engine
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PCT/EP2004/011517
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Götz Brachert
Rüdiger Herweg
Matthias Pfau
Jochen SCHÄFLEIN
Hans-Jürgen WEIMANN
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, in particular a self-igniting internal combustion engine with direct injection.
  • HCCI or PCCI internal combustion engines also known as internal combustion engines with space ignition combustion
  • a lean basic mixture of air, fuel and retained exhaust gas is generally formed and self-ignited at part load.
  • a stoichiometric mixture is often formed and spark-ignited, because at high loads, the self-ignition could cause steep pressure increases in the combustion chamber, which would impair operation.
  • the invention has for its object to provide a method for operating an internal combustion engine, in which an efficiency-optimized operation is guaranteed both in an auto-ignition mode and in an external ignition mode.
  • the method according to the invention is characterized in that exhaust gas is retained during a compression ignition mode in the combustion chamber of an internal combustion engine, which is operated depending on the operating point with compression ignition or spark ignition, which is compressed during a charge change, a first fuel quantity being injected into the retained exhaust gas. A second quantity of fuel is then fed to the combustion chamber, so that a homogeneous fuel / air mixture is formed in the combustion chamber.
  • a higher compression ratio is set in the compression ignition mode than in the external ignition mode.
  • the compression ratio is preferably set by changing the combustion chamber volume.
  • the present invention is used to set a load-dependent compression ratio in a space-based ignition combustion, so that a load-dependent optimized efficiency and in particular the best possible conversion rate of a downstream catalytic converter are achieved by setting a desired exhaust gas temperature.
  • high compression ratios can be set during the compression ignition operation, in particular with small and medium loads, whereby the tendency of the internal combustion engine to knock is reduced by lower compression ratios during the spark ignition operation, especially under high loads.
  • a compression ratio between 10 and 20, in particular between 12 and 16 is set during compression ignition operation. Due to the high compression ratio, a necessary temperature is reached at the end of a compression stroke in compression ignition operation, so that the conditions for triggering auto-ignition are optimized, particularly with small and medium loads.
  • the compression ratio can be reduced in compression ignition mode to increase the exhaust gas temperatures, in particular to heat an exhaust gas catalytic converter to a specific operating temperature.
  • a compression ratio between 8 and 12 is set during the spark ignition operation. This reduces the tendency of the internal combustion engine to knock, particularly in full-load operation.
  • an auto-ignition point in time of the fuel / air mixture formed from the first and the second fuel quantity is set as a function of a quantitative ratio of the first to the second fuel quantity.
  • the quantity ratio of the first to the second fuel quantity is preferably set from 1: 100 to 2: 1, in particular from 1: 5 to 1: 3.
  • the injection of the first amount of fuel into the retained exhaust gas results in an optimal homogenization or preconditioning of the first amount of fuel, which leads to an increase in a mixture reactivity of the fuel / air mixture formed from the first and the second amount of fuel. This promotes the onset of auto-ignition, particularly at operating points with low exhaust gas temperatures.
  • the first fuel injection is between closing an exhaust valve and opening an intake valve.
  • the preconditioning effect can go beyond pure homogenization. If, in particular, the fuel is injected into the retained exhaust gas, which also contains residual air, before the top of the gas exchange dead center, reaction-like reactions can occur, which can influence, in particular increase, the mixture temperature.
  • a center of gravity of the combustion is set by means of an injection of a third quantity of fuel, which is carried out after the end of the injection of the second quantity of fuel and preferably before an upper ignition dead center.
  • the third quantity of fuel is aimed at reducing the reactivity of the entire cylinder charge, particularly at high loads. This is intended to reduce high burning speeds or high pressure increases in the combustion chamber.
  • the duration of the combustion is set as a function of the third fuel quantity and its time of injection.
  • the reduction in mixture reactivity achieved by the third fuel quantity slows down the burning of the cylinder charge, so that the combustion duration can be optimized depending on the load, depending on the time of injection of the third fuel quantity.
  • 1 shows a schematic course of a cylinder charge temperature of an internal combustion engine according to the invention as a function of a compression ratio
  • 2 shows a schematic exhaust gas temperature curve of an internal combustion engine as a function of an operating point and a compression ratio
  • Fig. 3 is a schematic diagram of a cylinder pressure difference depending on a compression ratio
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an operating strategy according to the invention for setting a compression ratio as a function of an operating mode.
  • An exemplary internal combustion engine with space ignition combustion preferably comprises four or more cylinders, in each of which a piston which is held in a slowly displaceable manner is guided and a combustion chamber for the combustion of air with a fuel is formed.
  • the combustion chamber of the internal combustion engine is closed at the top by a cylinder head, the piston limiting the combustion chamber at the bottom.
  • the internal combustion engine comprises at least one inlet valve, at least one outlet valve, a fuel injector and an ignition source per combustion chamber, which is preferably designed as a spark plug.
  • the internal combustion engine works according to the 4-stroke principle, whereby it can be operated ottomotor, ie with spark ignition, or in a compression ignition mode depending on the load point.
  • ottomotor ie with spark ignition
  • compression ignition or in a compression ignition mode depending on the load point.
  • the four-cycle work cycle of the internal combustion engine corresponds to a combustion cycle, a combustion cycle beginning with a first intake stroke at an upper dead center, in which the piston moves downward to a lower dead center.
  • Combustion air is supplied to the combustion chamber during the intake stroke, whereby, according to the invention, a certain amount of exhaust gas is retained in the combustion chamber after a previous work cycle.
  • the method according to the invention initially aims to optimize the operation of the internal combustion engine by means of a variation in the compression ratio.
  • Space ignition combustion is particularly dependent on the temperature level during the compression and on the temperature reached at the end of the compression. These variables can be influenced via the compression ratio.
  • an increase in pressure in the cylinder as a result of the combustion and the exhaust gas emissions can be optimized.
  • a high compression ratio according to FIG. 4 is set for small and medium loads, so that the conditions for triggering auto-ignition can be optimized.
  • a compression ratio lower than a maximum adjustable compression ratio can be set temporarily or during a heating phase of the catalyst.
  • 2 shows the dependence of the exhaust gas temperature as a function of the operating point traveled and the compression ratio set.
  • a load-dependent setting of the compression ratio is to be achieved according to FIG. 2.
  • an operating strategy according to the invention is shown in FIG. 4.
  • the compression ratio e is adjusted depending on the combustion mode set. With small and medium loads during compression ignition operation (RZV), a compression Ratio between 10 and 20, preferably between 12 and 16 set. Due to the high compression ratio, a necessary temperature is reached at the end of a compression stroke in compression ignition operation, so that the conditions for triggering auto-ignition are optimized.
  • the compression ratio can be reduced to increase the exhaust gas temperatures, in particular to heat an exhaust gas catalytic converter to a specific operating temperature.
  • a compression ratio between 8 and 16, in particular between 8 and 12 is set during spark ignition operation (Otto operation). This reduces the tendency of the internal combustion engine to knock, particularly in full-load operation.
  • the internal combustion engine is optionally operated with a petrol engine at high loads, in particular in the full load range, i.e. the cylinder charge is ignited.
  • a high compression ratio is avoided during petrol engine operation, since this causes excessive pressure increases, in particular at the same burning speeds (cf. FIG. 3).
  • the compression ratio is preferably changed mechanically, ie the volume of the combustion chamber is changed depending on the load point.
  • a variable combustion chamber volume can be made by displacing the cylinder or the cylinder head.
  • a different setting of the compression ratio could be made by a crankshaft that rotates in eccentric bearings.
  • a vertical position of the bearings is changed by rotating the eccentric and thus the upper and lower gate point of the piston is shifted.
  • the shift of a Crankshaft axis on the control and output are balanced.
  • the mechanical realization of a variable compression ratio is freely selectable and can be carried out as desired.
  • a certain mixture reactivity of a fuel / air mixture formed from the first and a subsequent second fuel quantity is set during the compression ignition operation by means of a first injection, which is introduced into the combustion chamber filled with retained exhaust gas.
  • a first injection which is introduced into the combustion chamber filled with retained exhaust gas.
  • the first quantity of fuel provides a higher energy or temperature level for a subsequent main combustion, whereby an energy loss due to the smaller quantity of fuel converted can be compensated for when realizing low engine loads.
  • This increases the operating range driven with compression ignition, so that further improved exhaust emissions can be achieved, for example, when idling.
  • the first fuel injection is preferably carried out between the closing of the exhaust valve and the opening of the intake valve.
  • the first quantity of fuel can be injected into the exhaust gas retained in the combustion chamber during the extension stroke of the internal combustion engine between the closing of the exhaust valve and 270 ° KW before an upper ignition dead center.
  • the first quantity of fuel can be introduced into the combustion chamber in a region between the closing of the exhaust valve and a dead center of the gas exchange.
  • the reaction-like reactions in the first fuel injection are increased.
  • the injection of the first amount of fuel leads to reaction-like reactions with which the final mixture temperature is influenced.
  • the auto-ignition timing can be influenced.
  • the first amount of fuel is preferably between 0% and 30% of the total amount of fuel, and the second amount of fuel can be between 40% and 100% of the total amount of fuel.
  • the auto-ignition timing of the fuel / air mixture formed from the first and the second fuel quantity can be set as a function of a quantitative ratio of the first to the second fuel quantity.
  • a particularly advantageous preconditioning of the main mixture occurs at a ratio between 1: 5 and 1: 3.
  • the second quantity of fuel is preferably injected into the combustion chamber in a range between 300 ° KW and 120 ° KW before the top ignition dead center.
  • the center of gravity of the combustion can be optimized according to the invention by injecting a third quantity of fuel.
  • the third fuel quantity is optionally injected before or after the onset of auto-ignition, injection preferably before top ignition dead center, so that the reactivity of the main mixture or the total cylinder charge can be reduced or changed.
  • the third fuel injection can advantageously depend on the duration of the combustion. Control the speed of your injection and / or your quantity. This prevents steep pressure rises in the combustion chamber and thus achieves better exhaust emissions.
  • the third fuel quantity is preferably between 10% and 30% of the total fuel quantity.
  • the piston moves in an upward motion to the top dead center of the gas exchange and pushes the exhaust gases out of the combustion chamber.
  • the exhaust valve is opened so that the exhaust gases are pushed out of the combustion chamber, a certain amount of exhaust gas being retained in the combustion chamber by early closing of the exhaust valve.
  • the internal combustion engine can be operated with an optimized efficiency in all load ranges with compression ignition and with spark ignition, without there being misfires. This enables the operation of an HCCI internal combustion engine at low loads, while steep pressure increases and knocking during spark ignition operation are avoided by reducing the compression ratio at high loads.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem die Brennkraftmaschine betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, wobei im Kompressionszündungsmodus ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Fremdzündungsmodus eingestellt wird. Durch die erfindungsgemässe Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in Kombination mit der erfindungsgemässen Einspritzstrategie wird der Betrieb einer HCCI-Brennkraftmaschine bei kleinen und mittleren Lasten optimiert, wobei durch die Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei hohen Lasten steile Druckanstiege und Klopfen im Fremdzündungsbetrieb vermieden werden.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung werden oftmals homogene magere Kraftstoff/Luft-Gemische zur Selbstzündung gebracht, so dass -hohe Wirkungsgrade und verbesserte Abgasemissionen erzielt werden. Bei solchen sogenannten HCCI- bzw. PCCI-Brennkraftmaschinen, auch als Brennkraftmaschinen mit Raumzündverbrennung bekannt, wird in der Regel bei Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet und selbstgezündet. Bei Volllast wird häufig ein stόchiometrisches Gemisch gebildet und fremdgezündet, denn bei hohen Lasten könnten durch die Selbstzündung steile Druckanstiege im Brennraum auftreten, welche zu einer Beeinträchtigung des Betriebs führen würden.
Nach heutigem Stand der Technik ist eine gezielte Steuerung der oben beschriebenen Raumzündverbrennung nur schwer zu erreichen, da der Zeitpunkt der Selbstzündung sehr stark von den motorischen Parametern und den Umgebungsbedingungen abhängt . Weiterhin wird eine Optimierung der Verbrennung hinsichtlich der Abgastemperaturen, insbesondere durch die unterschiedliche Auslösung der Zündung erschwert, da ein besserer Wirkungsgrad bei einer Kompressionszündung erzielt wird als bei einer Fremdzündung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem ein wirkungsgradoptimierter Betrieb sowohl in einem Selbstzündungsmodus als auch in einem Fremdzundungsmodus gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Brennraum einer Brennkraftmaschine, die betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, Abgas während eines Kompressionszundungsmodus zurückgehalten wird, welches während eines Ladungswechsels komprimiert wird, wobei eine erste Kraftstoffmenge in das zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird. Nachfolgend wird dem Brennraum eine zweite Kraftstoffmenge zugeführt, so dass im Brennraum ein homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet wird. Erfindungsgemäß wird im Kompressionszundungsmodus ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Fremdzundungsmodus eingestellt. Vorzugsweise wird die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses durch eine Veränderung des Brennraumvolumens vorgenommen.
Durch die vorliegende Erfindung wird bei einer Raumzündverbrennung die Einstellung eines lastabhängigen Verdichtungsverhältnisses vorgenommen, so dass ein lastabhängig optimierter Wirkungsgrad und insbesondere eine bestmögliche Konvertierungsrate eines nachgeschalteten Katalysators durch die Einstellung einer gewünschten Abgastemperatur erzielt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung können während des KompressionsZündungsbetriebs, insbesondere bei kleinen und mittleren Lasten, hohe Verdichtungsverhältnisse eingestellt werden, wobei während des Fremdzündungsbetriebs, insbesondere bei hohen Lasten, eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine durch niedrigere Verdichtungsverhältnisse verringert wird. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird während des Kom- pressionszündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 10 und 20, insbesondere zwischen 12 und 16 eingestellt. Durch das hohe Verdichtungsverhältnis wird im Kompressionszündungs- betrieb eine notwendige Temperatur am Ende eines Kompressionshubs erzielt, so dass insbesondere bei kleinen und mittleren Lasten die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden. Alternativ kann im Kompressionszündungsbe- trieb eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses zur Erhöhung der Abgastemperaturen, insbesondere zur Aufheizung eines Abgaskatalysators auf eine bestimmte Betriebstemperatur, vorgenommen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Fremdzündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 8 und 12 eingestellt. Hierdurch wird eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine insbesondere im Volllastbetrieb verringert .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Kompressionszundungsmodus ein Selbstzündungszeitpunkt des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge eingestellt . Vorzugsweise wird das Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge von 1:100 bis 2:1, insbesondere von 1:5 bis 1:3 eingestellt.
Die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge ins zurückgehaltene Abgas bewirkt eine optimale Homogenisierung bzw. eine Vorkonditionierung der ersten KraftStoffmenge, welche zu einer Erhöhung einer Gemischreaktivität des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft- Gemisches führt. Hierdurch wird das Einsetzen der Selbstzündung, insbesondere bei Betriebspunkten mit geringer Abgastem- peratur begünstigt. Vorzugsweise wird die erste Kraftstoffeinspritzung zwischen einem Schließen eines Auslassventils und einem Öffnen eines Einlassventils vorgenommen. Je nach Einspritzzeitpunkt der ersten Kraftstoffmenge kann der Vor- konditionierungseffekt über die reine Homogenisierung hinaus gehen. Wenn insbesondere der Kraftstoff vor dem oberen Ladungswechsel-Totpunkt ins zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird, das auch Restluft enthält, kann es zu umsetzungsartigen Reaktionen kommen, durch die die Gemischtemperatur beein- flusst, insbesondere erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Schwerpunktläge der Verbrennung mittels einer Einspritzung einer dritten KraftStoffmenge eingestellt, die nach Beendigung der Einspritzung der zweiten Kraftstoffmenge und vorzugsweise vor einem oberen Zünd-Totpunkt vorgenommen wird. Die dritte Kraftstoffmenge zielt insbesondere bei hohen Lasten auf eine Minderung der Reaktivität der Gesamtzylinderla- dung ab. Hierdurch sollen große Brenngeschwindigkeiten bzw. hohe Druckanstiege im Brennraum vermindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Dauer der Verbrennung in Abhängigkeit von der dritten Kraftstoffmenge und ihrem Einspritzzeitpunkt eingestellt. Mit der durch die dritte Kraftstoffmenge erzielten Verminderung der Gemischreaktivität wird ein Durchbrennen der Zylinderladung verlangsamt, so dass je nach Einspritzzeitpunkt der dritten Kraftstoffmenge die Verbrennungsdauer lastabhängig optimiert werden kann.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Verlauf einer Zylinderladungstemperatur einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Verdichtungsverhältnis, Fig. 2 einen schematischen Abgastemperaturverlauf einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt und einem Verdichtungsverhältnis,
Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer Zylinderdruckdifferenz in Abhängigkeit von einem Verdichtungsverhältnis und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Betriebsstrategie zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus.
Eine beispielhafte Brennkraftmaschine mit Raumzündverbrennung umfasst vorzugsweise vier oder mehr Zylinder, in denen jeweils ein langsverschieblich gehaltener Kolben geführt und ein Brennraum zur Verbrennung von Luft mit einem Kraftstoff gebildet ist. Der Brennraum der Brennkraftmaschine wird von einem Zylinderkopf nach oben hin abgeschlossen, wobei der Kolben den Brennraum nach unten hin begrenzt. Die Brennkraftmaschine umfasst pro Brennraum mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, einen KraftstoffInjektor und eine Zündquelle, die vorzugsweise als eine Zündkerze ausgebildet ist.
Die Brennkraftmaschine arbeitet nach dem 4-Takt-Prinzip, wobei sie lastpunktabhängig ottomotorisch, d.h. mit Fremdzündung, oder in einem Selbstzündungsmodus betrieben werden kann. Bei einem -Takt-Verfahren entspricht ein Takt einem vollen Kolbenhub. Das aus vier Takten bestehende Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine entspricht einem Verbrennungszyklus, wobei ein Verbrennungszyklus mit einem ersten Ansaugtakt bei einem oberen Ladungswechsel-Totpunkt beginnt, bei dem sich der Kolben in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt bewegt . Beim Ansaugtakt wird dem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt, wobei erfindungsgemäß in einem Ausschie- betakt eines vorherigen Arbeitsspiels eine bestimmte Menge an Abgas im Brennraum zurückgehalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt zunächst darauf ab, den Betrieb der Brennkraftmaschine mittels einer Variation des Verdichtungsverhältnisses zu optimieren. Die Raumzündverbrennung ist insbesondere vom Temperaturniveau während der Kompression und von der am Ende der Kompression erreichten Temperatur abhängig. Über das Verdichtungsverhältnis kann auf diese Größen Einfluss genommen werden. Weiterhin kann durch eine Variation des Verdichtungsverhältnisses ein Druckanstieg im Zylinder infolge der Verbrennung sowie die Abgasemissionen optimiert werden.
In Fig. 1 ist die Abhängigkeit einer Zylinderladungstemperatur am Ende des Kompressionstakts vom Verdichtungsverhältnis dargestellt. Hier wird deutlich, wie das Temperaturniveau mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis ansteigt . Erfindungsgemäß wird bei kleinen und mittleren lasten ein hohes Verdichtungsverhältnis gemäß Fig. 4 eingestellt, so dass die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden können. Vorzugsweise kann bei niedrigen Lasten zur Einstellung einer Betriebstemperatur eines nachgeschalteten Katalysators vorübergehend bzw. während einer Aufheizphase des Katalysators ein geringeres Verdichtungsverhältnis als ein maximal einstellbares Verdichtungsverhältnis eingestellt werden. In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Abgastemperatur in Abhängigkeit vom gefahrenen Betriebspunkt und vom eingestellten Verdichtungsverhältnis dargestellt.
Erfindungsgemäß soll gemäß Fig. 2 eine lastabhängige Einstellung des Verdichtungsverhältnisses erzielt werden. Hierzu ist in Fig. 4 eine Betriebsstrategie gemäß der Erfindung dargestellt. Dabei wird eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses e in Abhängigkeit vom eingestellten Verbrennungsmodus vorgenommen. Bei kleinen und mittleren Lasten während des Kompressionszündungsbetriebs (RZV) wird ein Verdichtungsver- hältnis zwischen 10 und 20, vorzugsweise zwischen 12 und 16 eingestellt. Durch das hohe Verdichtungsverhältnis wird im Kompressionszündungsbetrieb eine notwendige Temperatur am Ende eines Kompressionshubs erzielt, so dass die Bedingungen zum Auslösen einer Selbstzündung optimiert werden. Alternativ kann im Kompressionszündungsbetrieb eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses zur Erhöhung der Abgastemperaturen, insbesondere zur Aufheizung eines Abgaskatalysators auf eine bestimmte Betriebstemperatur, vorgenommen werden. Dagegen wird gemäß Fig. 4 während des Fremdzündungsbetriebs (Otto- Betrieb) ein Verdichtungsverhältnis zwischen 8 und 16, insbesondere zwischen 8 und 12 eingestellt . Hierdurch wird eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine insbesondere im Volllastbetrieb verringert .
Wahlweise wird die Brennkraftmaschine bei hohen Lasten, insbesondere im Volllastbereich ottomotorisch betrieben, d.h. die Zylinderladung wird fremdgezündet. Erfindungsgemäß wird während des ottomotorischen Betriebs ein hohes Verdichtungsverhältnis vermieden, da hierdurch zu hohe Druckanstiege, insbesondere bei gleichen Brenngeschwindigkeiten, verursacht werden (vgl. Fig. 3) .
Vorzugsweise wird die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses mechanisch vorgenommen, d.h. das Volumen des Brennraums wird je nach Lastpunkt verändert. Hierzu können viele in der Praxis bereits erprobte Möglichkeiten zur Darstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses herangezogen werden. Beispielsweise kann ein veränderliches Brennraumvolumen durch eine Verschiebung des Zylinders bzw. des Zylinderkopfes vorgenommen werden. Hierzu gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Beispielsweise könnte durch eine Kurbelwelle, die sich in exzentrischen Lagern dreht, eine unterschiedliche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses vorgenommen werden. Hier wird durch eine Drehung der Exzenter eine vertikale Position der Lager verändert und somit der obere und untere Torpunkt des Kolbens verschoben. Dabei kann die Verschiebung einer Kurbelwellenachse an Steuer- und Abtrieb ausgeglichen werden. Die mechanische Verwirklichung eines veränderlichen Verdichtungsverhältnisses ist frei wählbar und kann beliebig vorgenommen werden.
Erfindungsgemäß wird während des Kompressionszündungsbetriebs mittels einer ersten Einspritzung, die in den mit zurückgehaltenem Abgas gefüllten Brennraum eingebracht wird, eine bestimmte Gemischreaktivität eines aus der ersten und einer nachfolgenden zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches eingestellt. Hierdurch wird das Einsetzen der Selbstzündung geregelt bzw. gesteuert. Dies ist insbesondere bei Betriebspunkten mit geringer Abgastemperatur vorteilhaft, da ein zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung auch in unteren Drehzahl- und Lastbereichen ermöglicht wird.
Durch die erste Kraftstoffmenge steht für eine anschließende Hauptverbrennung ein höheres Energie- bzw. Temperaturniveau zur Verfügung, wodurch ein Energieverlust aufgrund der kleineren umgesetzten Kraftstoffmenge bei der Realisierung niedriger Motorlasten kompensiert werden kann. Dadurch wird der mit Kompressionszündung gefahrene Betriebsbereich vergrößert, so dass weiterhin verbesserte Abgasemissionen beispielsweise bei Leerlauf erzielt werden können.
Vorzugsweise wird die erste Kraftstoffeinspritzung zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlass- ventils vorgenommen. Alternativ kann die erste Kraftstoffmenge in das im Brennraum zurückgehaltene Abgas während des Ausschiebetakts der Brennkraftmaschine zwischen dem Schließen des Auslassventils und 270°KW vor einem oberen Zünd-Totpunkt eingespritzt werden.
Alternativ kann die erste Kraftstoffmenge in einem Bereich zwischen dem Schließen des Auslassventils und einem Ladungswechsel-Totpunkt in den Brennraum eingebracht werden. Hier- durch werden die Umsetzungsartigen Reaktionen bei der ersten Kraftstoffeinspritzung erhöht. Die Einspritzung der ersten Kraftstoffmenge führt zu umsetzungsartigen Reaktionen, mit denen die Gemischendtemperatur beeinflusst wird. Somit kann der Selbstzündzeitpunkt beeinflusst werden. Vorzugsweise beträgt die erste Kraftstoffmenge zwischen 0% und 30% der Gesamtkraftstoffmenge, wobei die zweite Kraftstoffmenge zwischen 40% und 100% der Gesamtkraftstoffmenge betragen kann.
Durch die Einbringung der zweiten Kraftstoffmenge in den Brennraum wird das Hauptgemisch gebildet, das im Kompressionstakt verdichtet wird. Während des Kompressionstaktes bewegt sich der Kolben in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt bis zum oberen Zünd-Totpunkt . Das gebildete Hauptgemisch wird in einem Bereich des oberen Zünd-Totpunkts durch die vorliegende Kompression gezündet. Erfindungsgemäß kann der SelbstzündungsZeitpunkt des aus der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemischs in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge eingestellt werden. Eine besonders vorteilhafte Vorkonditionierung des Hauptgemisches stellt sich bei einem Mengenverhältnis zwischen 1:5 und 1:3 ein. Vorzugsweise wird die zweite Kraftstoffmenge in einem Bereich zwischen 300°KW und 120°KW vor dem oberen Zünd-Totpunkt in den Brennraum eingespritzt.
Während der noch laufenden Verbrennung des Hauptgemisches expandiert der Kolben in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt. Die Schwerpunktlage der Verbrennung kann erfindungsgemäß mittels einer Einspritzung einer dritten Kraftstoffmenge optimiert werden. Wahlweise findet die Einspritzung der dritten Kraftstoffmenge vor oder nach dem Einsetzen der Selbstzündung statt, wobei vorzugsweise vor dem oberen Zünd-Totpunkt eingespritzt wird, so dass die Reaktivität des Hauptgemisches bzw. der Gesamtzylinderladung vermindert bzw. verändert werden kann. Die dritte Kraftstoffeinspritzung kann in vorteilhafter Weise die Dauer der Verbrennung in Abhängig- keit von ihrem Einspritzzeitpunkt und/oder ihrer Menge steuern. Hierdurch werden steile Druckanstiege im Brennraum verhindert und somit bessere Abgasemissionen erzielt. Vorzugsweise beträgt die dritte Kraftstoffmenge zwischen 10% und 30% der Gesamtkraftstoffmenge.
Im darauf folgenden Ausschiebetakt fährt der Kolben in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Ladungswechsel-Totpunkt und schiebt die Abgase aus dem Brennraum aus. Während des Ausschiebetakts wird das Auslassventil geöffnet, so dass die Abgase aus dem Brennraum ausgeschoben werden, wobei durch ein frühzeitiges Schließen des Auslassventils eine bestimmte Menge an Abgas im Brennraum zurückgehalten wird.
Durch die erfindungsgemäße Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in Kombination mit der erfindungsgemäßen Einspritzstrategie kann die Brennkraftmaschine im wesentlichen in allen Lastbereichen mit Kompressionszündung und mit Fremdzündung mit einem optimierten Wirkungsgrad betrieben werden, ohne dass es zu Zündaussetzern kommt. Somit wird der Betrieb einer HCCI-Brennkraftmaschine bei kleinen Lasten ermöglicht, wobei durch die Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei hohen Lasten steile Druckanstiege und Klopfen im Fremd- zündungsbetrieb vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, einem Zylinderkopf, in dem mindestens ein Ein- lass- und ein Auslassventil angeordnet sind, einem Kolben und einem zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben begrenzten Brennraum, dem Frischluft über eine Saugrohreinrichtung zugeführt wird, bei dem die Brennkraftmaschine betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, wobei - während eines Kompressionszundungsmodus im Brennraura Abgas zurückgehalten und während eines Ladungswechsels komprimiert wird, und - eine erste Kraftstoffmenge mittels eines im Brennraum angeordneten Injektors in das zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird, wobei - nachfolgend dem Brennraum eine zweite Kraftstoffmenge zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s - im Kompressionszundungsmodus ein höheres Verdichtungsverhältnis als im Fremdzundungsmodus eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s während des Kompressionszündungsbetriebs ein Verdichtungsverhältnis zwischen 10 und 20, insbesondere zwischen 12 und lδeingestellt wird.
3. Verfahren 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 , d a s s während des Fremdzündungsbetriebs ein Verdi chtungsver- hältnis zwischen 8 und 16, insbesondere zwischen 8 und 12 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s ein Selbstzündungszeitpunkt des aus der ersten urnd der zweiten Kraftstoffmenge gebildeten Kraftstoff/Lift- Gemischs in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraf stoffmenge eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Schwerpunktlage der Verbrennung mittels einer Einspritzung einer dritten Kraftstoffmenge eingestellt wird, die nach Beendigung der Einspritzung der zweiten Kraftstoffmenge und vor einem oberen Zünd-Totpunkt vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Dauer der Verbrennung in Abhängigkeit von der dritten Kraftstoffmenge und/oder ihrem Einspritzzeitpunkt eingestellt wird.
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