WO2014000859A1 - Betriebsverfahren einer einen brennraum umfassenden brennkraftmaschine - Google Patents

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internal combustion
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exhaust gas
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Torsten Dieler
Dirk Haase
Rüdiger Herweg
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Daimler Ag
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to operating methods of a combustion chamber comprising an internal combustion engine according to the preambles of claims 1 and 2. Furthermore, the invention according to the preamble of claim 8 relates to an internal combustion engine having a first and a second operating state, between which the
  • Internal combustion engine for use of the operating method according to the invention is switchable.
  • a residual amount of air remaining in the combustion chamber after the external ignition is obtained by subsequent injection of a predetermined amount
  • Vehicle components such as an exhaust gas turbocharger or an exhaust gas catalyst, which are in operative connection with the internal combustion engine, are not configured flexibly enough to respond to changes in the operating conditions of such vehicle components.
  • HCCI combustion or RZV a layered or partially stratified combustion Combustion process (DES, HOS), a homogeneous combustion process or a low NOx combustion (NAV) for direct injection internal combustion engines to be meant.
  • DES layered or partially stratified combustion Combustion process
  • NAV low NOx combustion
  • Some of these combustion processes have an excess of air in the combustion chamber.
  • the excess air in the combustion chamber especially at low speeds to low enthalpy in the exhaust gas or in the exhaust gas mass flow, so that a
  • Turbocharger shows little effect, which sets only a low torque and thus a poor dynamic response.
  • Under operating condition can also be an optimum operating temperature of an exhaust gas catalyst of the internal combustion engine meant, which is not sufficiently high, for example, after a long idle state of the internal combustion engine to ensure effective cleaning of the exhaust gas catalyst supplied exhaust gases.
  • Fuel consumption can be reduced, whereby the C0 2 emissions decrease.
  • the internal combustion engine has a first and a second operating state, between which it can be switched.
  • the operating method according to the invention comprises the step a) of the main ignition of a in the combustion chamber present fuel-air mixture.
  • the process steps b) and c) to be explained below are not executed in the first operating state.
  • Internal combustion engine for the implementation of the operating method is relatively low, since only in the main ignition according to step a) fuel is consumed.
  • the additional exhaust enthalpy can be from one of the internal combustion engine
  • Downstream exhaust turbocharger can be used to generate an additional turbine power, so that ultimately increases the delivered from the engine total torque. It can also be switched from the first to the second operating state, if during a warm-up phase of the internal combustion engine, a vehicle downstream of the engine catalytic converter should reach its optimum operating temperature for the purification of exhaust gas as quickly as possible. After reaching the optimal
  • the internal combustion engine can be switched back to the first operating state to reduce fuel consumption.
  • step a) Operating method are used in particular in lean fuel-air mixtures, so that after the main ignition, the residual amount of air remains in the combustion chamber, whereby the air present in the combustion chamber is effectively used.
  • steps b) and c) substantially during a period in which a piston moves in the direction of its bottom dead center due to the main ignition according to step a).
  • the operating method is operationally repeated periodically, wherein a period a first period period in which the internal combustion engine in the first operating state, and a second period period in which the internal combustion engine is in the second operating state, wherein the first period period is equal to the second period period or alternatively, the first period period is greater than the second period period or alternatively, the first period period is less than is the second period period.
  • the internal combustion engine further comprises an exhaust system connected downstream of the combustion chamber with an exhaust gas catalyst for purifying exhaust gas generated in the combustion chamber, wherein the internal combustion engine is operatively connected to the first exhaust gas in dependence on an exhaust gas temperature of the exhaust gas received in the exhaust gas catalyst second operating state is switched. In this way it can be ensured that the exhaust gas temperature-dependent operating temperature of the exhaust gas catalyst in a
  • Temperature range can be maintained, in which the exhaust gas catalyst cleans the exhaust gas generated in the combustion chamber of the internal combustion engine in a particularly effective manner.
  • the internal combustion engine is switched to the first operating state when the exhaust gas temperature exceeds a first predetermined temperature threshold and switched to the second operating state when the exhaust gas temperature falls below a second temperature threshold.
  • the temperature dependent on the exhaust gas temperature operating temperature of the exhaust gas catalyst can be maintained in a predetermined temperature interval, in which the exhaust gas catalyst particularly effectively cleans the absorbed exhaust gas.
  • the after-ignition preferably takes place in a time-delayed manner relative to the subsequent injection according to step b) of the operating method according to the invention, such that a duration of the time offset is defined or determinable in dependence on one or more of the following parameters:
  • the invention further relates to an internal combustion engine with a first and a second operating state, between which the internal combustion engine for use of a method with one or more of the above features is switchable.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the operating method according to the invention
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the operating method according to the invention
  • FIG. 4 shows a state diagram for various components of the internal combustion engine when carrying out the operating method according to the invention.
  • an internal combustion engine according to the invention is denoted by 1.
  • the internal combustion engine 1 has a combustion chamber 2, in which a piston 3 is arranged to be translationally movable between an upper and a lower dead center.
  • the internal combustion engine 1 further comprises an air supply pipe 4 for supplying air in the combustion chamber 2, and an exhaust pipe 5 for discharging generated in the combustion chamber 2 exhaust gas.
  • the internal combustion engine 1 can also be an injection system for
  • Inject fuel into the combustion chamber 2 include.
  • the injection system may include a control device for controlling the injection of fuel into the combustion chamber 2.
  • the internal combustion engine 1 can also have an ignition device for a mixture of air and fuel formed in the combustion chamber 2.
  • Conceivable are conventional ignition devices with single-spark ignition systems, multi-spark,
  • the ignition device may also have a control device for controlling the ignition of fuel into the combustion chamber 2.
  • the amount of air that can be supplied to the combustion chamber 2 via the air supply line 4 can be moved by means of a movement between an open and closed position
  • Inlet valve 6 can be adjusted. Accordingly, the amount of from the
  • Combustion chamber 2 to be discharged via the exhaust pipe 5 exhaust gas by means of a movable between an open and closed position exhaust valve 7. It is also conceivable to provide a variable valve train which allows the phase position and / or opening duration and / or lifting height of the inlet valve 6 and outlet valve 7 to be freely adjusted.
  • an exhaust gas turbocharger 8 may be in fluid communication with the exhaust gas line 5.
  • the exhaust gas turbocharger 8 may have an exhaust gas turbine that uses the exhaust gas enthalpy of the exhaust gas generated in the combustion chamber 2 to a arranged in the air supply line 4 compressor (not shown in FIG. 1) of the exhaust gas turbocharger
  • the internal combustion engine 1 may comprise an exhaust gas catalyst 9, which is in fluid communication with the exhaust gas turbocharger 8, or, if the internal combustion engine does not have an exhaust gas turbocharger 8, directly with the exhaust gas line 5.
  • the exhaust gas catalyst 9 the exhaust gas generated in the combustion chamber 2 can be post-treated and cleaned.
  • the internal combustion engine 1 may also have a device which allows the compression to be set variably. Such devices are also known under the name VCR (variable compression ratio).
  • VCR variable compression ratio
  • FIG. 2 a first exemplary embodiment of a time profile of the operating method according to the invention is shown. As can be seen from the representation of FIG. 2, the internal combustion engine 1 is periodically switched between the first (I) and second (II) operating state. The internal combustion engine 1 is thus during the period period 12 of a period 1 1 in the first (I) operating state and during the period of time period 13 of the period 1 1 in the second (II) operating state.
  • the first period period 12 may be as shown in FIG. 2 temporally equal to the second period period 13, but in variants it is
  • first period period 12 is greater or longer than the second period period 13 or vice versa.
  • Internal combustion engine 1 generated exhaust gas as well as by means of according to the
  • Process steps b) and c) of the additional injection and Nachzündens generated additional amount of exhaust gas enthalpy can be set and corrected in a flexible manner.
  • Operating state (I) takes place when the exhaust gas temperature T A b g as exceeds a first predetermined temperature threshold Si. Accordingly, a changeover from the first (I) to the second (II) operating state occurs when the exhaust gas temperature T A bgas falls below a second temperature threshold S 2 .
  • FIG. 4 a preferred variant of the embodiment is shown, in which the implementation of steps b) and / or c) of the inventive subsequent injection or Nachzündens during a period occurs in which both the inlet valve 6 and the Outlet valve 7 are at least partially open.
  • steps b) and / or c) of the inventive subsequent injection or Nachzündens during a period occurs in which both the inlet valve 6 and the Outlet valve 7 are at least partially open.
  • Internal combustion engine 1 is denoted by 17 in FIG. 4, wherein in addition the top dead center (TDC) of the piston 3, in which the combustion chamber 2 has a minimal volume, is designated 22, while the bottom dead center (BDC) of the piston 3, in which the combustion chamber 2 has a maximum volume, designated by 23.
  • Top dead center 22 and bottom dead center 23 are shown by way of example in FIG. 4.
  • the degree of opening of the valves 6 and 7 and / or the pressure curve 17 in the combustion chamber 2 can vary for this purpose.
  • the opening degrees of the valves can be influenced by the variable valve operation, which also have an influence on the pressure curve 17 in the combustion chamber 2.
  • the pressure curve 17 can also be influenced by the variable compression (VCR), for example, by increasing the compression at low loads, so that an improved implementation of the injected fuel takes place, whereby the fuel consumption decreases and less C02 is ejected.
  • VCR variable compression
  • a throttle valve or a throttling element can be provided in the air supply line 4 in order to additionally control the supplyable amount of air and thus the air available for combustion in the combustion chamber 2.
  • the maximum lift of the exhaust valve 7 is denoted by 20, the maximum lift of the intake valve 6 is indicated by 21.
  • Outlet valve 7 is at least partially open, is designated in the illustration of FIG. 4 with 18.
  • a positive purging gradient a "flushing" or “scavenging” of the combustion chamber 2 with air.
  • the oxygen content in the exhaust gas can be reduced, so that the internal combustion engine in the main heat conversion point around the top dead center 23 ' efficiency optimal, ie usually with low exhaust gas temperatures, can be operated, whereby the fuel consumption decreases and at the same time a high
  • Exhaust gas temperature can be achieved in conjunction with a high exhaust gas flow rate. Furthermore, the catalyst can be protected against excessive oxidation by the proportion of air in the exhaust gas. Too high an amount of air in the exhaust gas would lead to a temperature increase in the catalyst, which ultimately leads to the destruction of the
  • Ignition source for the combustion chamber 2 provide. This may differ from the ignition source for the combustion chamber 2.
  • the further ignition source can be assigned to each cylinder, in each case one cylinder bank or after the merger of two or more cylinders in the exhaust gas line 5.
  • steps a), b) and c) of the operating method according to the invention it is possible in each case dynamically to set the amount of the fuel to be injected, the time of the injection and the time of ignition of steps a), b) and c) such that an im Substantially constant exhaust gas volume flow and / or constant exhaust gas temperature and / or constant oxygen content in the exhaust gas can be set or the exhaust gas volume flow and / or the exhaust gas temperature and / or the oxygen content in the exhaust gas can be modeled in time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren einer einen Brennraum (2) umfassenden Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten und einem zweiten Betriebszustand, zwischen welchen die Brennkraftmaschine (1) umschaltbar ist, umfassend die folgenden Schritte: a) Hauptzünden, insbesondere Fremdzünden eines im Brennraum (2) vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisches, b) Nachträgliches Einspritzen einer vorbestimmten Menge von Kraftstoff in den Brennraum (2), c) Nachzünden des in den Brennraum (2) nachträglich eingespritzten Kraftstoffs, wobei die Schritte b) und c) nur in dem zweiten Betriebszustand durchgeführt werden.

Description

Betriebsverfahren einer einen Brennraum umfassenden Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft Betriebsverfahren einer einen Brennraum umfassenden Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2. Des Weiteren betrifft die Erfindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 eine Brennkraftmaschine mit einem ersten und einem zweiten Betriebszustand, zwischen welchen die
Brennkraftmaschine zur Anwendung der erfindungsgemäßen Betriebsverfahren umschaltbar ist.
Aus der DE 10 2010 032 431 A1 ist ein Betriebsverfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine bekannt, gemäß welchem ein in einem Brennraum der
Brennkraftmaschine eingespritztes mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zunächst
fremdgezündet wird. Eine nach dem Fremdzünden in dem Brennraum verbleibende Rest- Luftmenge wird durch nachträgliches Einspritzen einer vorbestimmten Menge an
Kraftstoff und durch Nachzünden dieses nachträglich eingespritzten Kraftstoffs nachträglich wenigstens teilweise verbrannt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein der Brennkraftmaschine zur Abgasbehandlung nachgeschalteter Fahrzeug- Katalysator, insbesondere während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, besonders schnell aufgewärmt wird, so dass der Katalysator besonders schnell seine bevorzugte Betriebstemperatur erreicht, bei welcher er von der Brennkraftmaschine erzeugtes Abgas auf effektive Art und Weise reinigen kann.
Herkömmliche Betriebsverfahren für Brennkraftmaschinen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie insbesondere in Bezug auf verschiedene Betriebsbedingungen von
Fahrzeug-Komponenten wie beispielsweise einem Abgas-Turbolader oder einem Abgas- Katalysator, die mit der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung stehen, nicht flexibel genug ausgestaltet sind, um auf Veränderungen in den Betriebsbedingungen solcher Fahrzeug-Komponenten zu reagieren.
Unter herkömmlichen Betriebsverfahren können beispielsweise ein HCCI-Verbrennung oder Raumzündverbrennung (RZV), eine geschichtete oder teilgeschichtete Brennverfahren (DES, HOS), ein homogenes Brennverfahren oder auch eine NOx-arme Verbrennung (NAV) für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen gemeint sein.
Diese Brennverfahren weisen zum Teil einen Luftüberschuss im Brennraum auf. Unter Anderem führt der Luftüberschuss im Brennraum insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zu niedriger Enthalpie im Abgas bzw. im Abgasmassenstrom, so dass eine
Abgasturboaufladung wenig Wirkung zeigt, wodurch sich nur ein geringes Drehmoment und damit ein schlechtes Dynamikverhalten einstellt.
Unter Betriebsbedingung kann auch eine optimale Betriebstemperatur eines Abgas- Katalysators der Brennkraftmaschine gemeint sein, die beispielsweise nach einem längeren Ruhezustand der Brennkraftmaschine nicht ausreichend hoch ist, um ein effektives Reinigen der dem Abgas-Katalysator zugeführten Abgase sicherzustellen.
Insbesondere bei hubraumkleinen Brennkraftmaschinen führt eine niedrige Abgas- Enthalpie bei niedrigen Drehzahlen zu Nachteilen bezüglich des Dynamikverhaltens der Brennkraftmaschine und der Betriebstemperatur des Abgas-Katalysators. Downsizing, das zu hubraumkleineren Brennkraftmaschine führt, wird betrieben, um den C02-Ausstoß insgesamt zu verringern. Hubraumkleine Brennkraftmaschinen weisen eine geringere absolute Reibleistung gegenüber hubraumgrößeren Brennkraftmaschinen auf, so dass, insbesondere in Kombination mit einer Aufladung der Brennkraftmaschine, der
Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann, wodurch die C02-Emissionen sinken.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform bereitzustellen, bei der die oben genannten Nachteile beseitigt oder wenigstens verringert sind.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen
Ansprüchen 1 und 2 sowie durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren einer einen Brennraum umfassenden Brennkraftmaschine weist die Brennkraftmaschine einen ersten und einen zweiten Betriebszustand auf, zwischen welchen sie umschaltbar ist.
Für den Fall, dass die Brennkraftmaschine sich in dem ersten Betriebszustand befindet, umfasst das erfindungsgemäße Betriebsverfahren den Schritt a) des Hauptzündens eines im Brennraum vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die nachfolgend zu erläuternden Verfahrensschritte b) und c) werden in dem ersten Betriebszustand nicht ausgeführt.
Für den Fall, dass die Brennkraftmaschine sich in zweiten Betriebszustand befindet, werden gemäß dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren zusätzlich zu dem
Hauptzünden gemäß Schritt a) noch zusätzlich die Schritte b) des nachträglichen
Einspritzens einer vorbestimmten Menge von Kraftstoff in den Brennraum, sowie c) des Nachzündens des in den Brennraum nachträglich eingespritzten Kraftstoffs ausgeführt.
Das Umschalten der Brennkraftmaschine von dem ersten in den zweiten Betriebszustand und umgekehrt kann dabei in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern,
beispielsweise in Abhängigkeit von einer Betriebsbedingung einer mit der
Brennkraftmaschine in Wirkverbindung stehenden Fahrzeug-Komponente, erfolgen.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren in dem ersten Betriebszustand der
Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Kraftstoffverbrauch der
Brennkraftmaschine für die Durchführung des Betriebsverfahrens relativ gering ist, da nur bei der Hauptzündung gemäß Schritt a) Kraftstoff verbraucht wird.
Allerdings kann in dem ersten Betriebszustand von der Brennkraftmaschine auch in Verbindung mit einem der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgas-Turbolader bei niedriger Motordrehzahl nur ein relativ geringes Drehmoment erzeugt werden, da die Turbine des Abgas-Turboladers aufgrund des sogenannten "Turbolochs" bei niedriger Motordrehzahl keine hohe Turbinen-Leistung erzeugen kann.
Durch ein Umschalten der Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebszustand wird aufgrund des damit verbundenen nachträglichen Einspritzens von Kraftstoff und dessen Nachzünden in dem Brennraum gemäß den Verfahrensschritten b) und c) aufgrund der damit verbundenen Zusatzverbrennung eine zusätzliche Abgasmenge mit einer zusätzlichen Abgas-Enthalpie erzeugt. Gleichzeitig wird eine Abgas-Temperatur des Abgases erhöht.
Die zusätzliche Abgas-Enthalpie kann von einem der Brennkraftmaschine
nachgeschalteten Abgas-Turbolader zur Erzeugung einer zusätzlichen Turbinenleistung genutzt werden, so dass sich letztlich das von der Brennkraftmaschine gelieferte Gesamt- Drehmoment erhöht. Es kann auch von dem ersten in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet werden, wenn während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine ein der Brennkraftmaschine nachgeschalteter Fahrzeug-Katalysator seine optimale Betriebstemperatur zur Reinigung von Abgas möglichst schnell erreichen soll. Nach Erreichen der optimalen
Betriebstemperatur des Fahrzeug-Katalysators kann die Brennkraftmaschine wieder in den ersten Betriebszustand zurückgeschaltet werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Erfindungsgemäß kann zur Sicherstellung der Erzeugung einer besonders großen Menge an zusätzlicher Abgas-Enthalpie die Durchführung der Schritte b) bzw. c) im
Wesentlichen während eines Zeitraums erfolgen, in welchem sowohl ein Einlassventil zum Zuführen von Luft in den Brennraum als auch ein Auslassventil zum Abführen von im Brennraum erzeugten Abgas wenigstens teilweise geöffnet ist und ein positives
Spülgefälle vorherrscht. Die gleichzeitige wenigstens teilweise Öffnung von Einlassventil und Auslassventil in Verbindung mit einem positiven Druckgefälle zwischen einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen von Luft in den Brennraum und einer Abgasleitung zum Abführen von im Brennraum erzeugtem Abgas der Brennkraftmaschine, führt quasi zu einer„Durchspülung" des Brennraums mit Luft. Auf diese Weise wird nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Schritts a) des Hauptzündens eine besonders große Luftmenge in den Brennraum eingebracht, welche dann für das nachträgliche Einspritzen und Nachzünden gemäß den erfindungsgemäßen Schritten b) und c) zur Verfügung steht.
In einem alternativen erfindungsgemäßen Betriebsverfahren kann nach dem
Hauptzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches gemäß dem Schritt a) eine Rest Luftmenge im Brennraum verbleiben und im Schritt b) nachträglich die vorbestimmte Menge von Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden und im Schritt c) die Rest Luftmenge zumindest teilweise verbrannt werden. Vorteilhafterweise kann dieses alternative
Betriebsverfahren insbesondere bei mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen angewendet werden, so dass nach dem Hauptzünden die Rest Luftmenge im Brennraum verbleibt, wodurch die im Brennraum vorliegende Luft effektiv genutzt wird. Vorzugsweise erfolgt die Durchführung der Schritte b) und c) im Wesentlichen während eines Zeitraums, in welchem ein Kolben sich aufgrund des Hauptzündens gemäß Schritt a) in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt.
Vorzugsweise wird das Betriebsverfahren betriebsmäßig periodisch wiederholt, wobei eine Periode einen ersten Periodenzeitraum, in welchem sich die Brennkraftmaschine im ersten Betriebszustand befindet, und einen zweiten Periodenzeitraum, in welchem sich die Brennkraftmaschine im zweiten Betriebszustand befindet, aufweist, wobei der erste Periodenzeitraum gleich dem zweiten Periodenzeitraum ist oder alternativ dazu der erste Periodenzeitraum größer als der zweite Periodenzeitraum ist oder alternativ dazu der erste Periodenzeitraum kleiner als der zweite Periodenzeitraum ist.
Dies ermöglicht es, durch geeignete Wahl der Dauer des ersten bzw. zweiten
Periodenzeitraums, insbesondere relativ zueinander, eine zusätzlich Menge an Abgas und damit verbunden eine zusätzliche Abgasenthalpie aufgrund der zusätzlichen erfindungsgemäßen Schritte b) und c) des nachträglichen Einspritzens bzw.
Nachzündens von Kraftstoff zu erzeugen, wobei sich die Menge des zusätzlichen
Abgases durch geeignete Wahl des ersten und zweiten Periodenzeitraums einstellen lässt. Entsprechendes gilt für eine mit den zusätzlichen Schritten b) und c) verbundene Erhöhung der Temperatur des in der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases.
In einer weiterbildenden Ausführungsform umfasst die Brennkraftmaschine ferner ein dem Brennraum nachgeschaltetes Abgassystem mit einem Abgas-Katalysator zum Reinigen von in dem Brennraum erzeugten Abgas, wobei die Brennkraftmaschine betriebsmäßig in Abhängigkeit von einer Abgas-Temperatur des in dem Abgas- Katalysator aufgenommenen Abgases in den ersten oder zweiten Betriebszustand umgeschaltet wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die von der Abgas- Temperatur abhängende Betriebstemperatur des Abgas-Katalysators in einem
Temperaturbereich gehalten werden kann, in dem der Abgas-Katalysator das in dem Brennraum der Brennkraftmaschine erzeugte Abgas auf besonders effektive Weise reinigt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine in den ersten Betriebszustand umgeschaltet, wenn die Abgas-Temperatur einen ersten vorbestimmten Temperatur-Schwellwert überschreitet und in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet, wenn die Abgas-Temperatur einen zweiten Temperatur-Schwellwert unterschreitet. Auf diese Weise kann die von der Abgas-Temperatur abhängende Betriebstemperatur des Abgas-Katalysators in einem vorbestimmten Temperatur-Intervall gehalten werden, in welchem der Abgas-Katalysator das aufgenommene Abgas besonders effektiv reinigt. Vorzugsweise erfolgt das Nachzünden gemäß Schritt c) derart zeitlich versetzt zu dem nachträglichen Einspritzen gemäß Schritt b) des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, derart, dass eine Dauer des zeitlichen Versatzes in Abhängigkeit von einem oder mehreren der folgenden Parameter festgelegt oder festlegbar ist:
- Sauerstoffgehalt in dem von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgas,
- Luftgehalt in dem von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgas,
- Motorlast oder/und momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine,
- Schichtungsgrad oder/und Homogenisierung des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem ersten und einem zweiten Betriebszustand, zwischen welchen die Brennkraftmaschine zur Anwendung eines Verfahrens mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale umschaltbar ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und auch die noch nachstehend erwähnten Merkmale im Rahmen der Ausführbarkeit nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere wichtige Merkmale, Vorteile und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, aus den Zeichnungen und aus dem zugehörigen nachfolgenden Beschreibungsteil, in dem bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens und Fig. 4 ein Zustandsdiagramm für verschiedene Komponenten der Brennkraftmaschine bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit 1 bezeichnet. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Brennraum 2 auf, in welchem ein Kolben 3 zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt translatorisch bewegbar angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Luftzuführungsleitung 4 zum Zuführen von Luft in den Brennraum 2, sowie eine Abgasleitung 5 zum Abführen von in dem Brennraum 2 erzeugtem Abgas. Die Brennkraftmaschine 1 kann auch eine Einspritzanlage zum
Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 2 umfassen. Die Einspritzanlage kann eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Einspritzens von Kraftstoff in den Brennraum 2 aufweisen. Des Weiteren kann die Brennkraftmaschine 1 auch eine Zündvorrichtung für ein im Brennraum 2 gebildetes Gemisch aus Luft und Kraftstoff aufweisen. Denkbar sind konventionelle Zündvorrichtungen mit Ein-Funken-Zündsystemen, Mehrfunken-,
Hochfrequenz- oder Coronazündsysteme, sowie Laserzündsysteme oder Zündung mittels eine Glühstiftes. Auch die Zündvorrichtung kann eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Zündung von Kraftstoff in den Brennraum 2 aufweisen.
Die dem Brennraum 2 über die Luftzuführungsleitung 4 zuführbare Menge an Luft kann mittels eines zwischen einer offenen und geschlossenen Position beweglichen
Einlassventils 6 eingestellt werden. Entsprechend kann die Menge an aus dem
Brennraum 2 über die Abgasleitung 5 abzuführenden Abgas mittels eines zwischen einer offenen und geschlossenen Position beweglichen Auslassventils 7 eingestellt werden. Es ist auch denkbar einen variablen Ventiltrieb vorzusehen, der es erlaubt, die Phasenlage und/oder Öffnungsdauer und/oder Hubhöhe des Einlassventils 6 und Auslassventils 7 frei einzustellen.
Weiterhin kann ein Abgas-Turbolader 8 mit der Abgasleitung 5 in Fluidverbindung stehen. Der Abgas-Turbolader 8 kann eine Abgas-Turbine aufweisen, die die Abgasenthalpie des in dem Brennraum 2 erzeugten Abgases nutzt, um einen in der Luftzuführungsleitung 4 angeordneten Verdichter (in der Fig. 1 nicht gezeigt) des Abgas-Turboladers zur
Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 1 auf herkömmliche Art und Weise anzutreiben.
Des Weiteren kann die Brennkraftmaschine 1 einen Abgas-Katalysator 9 umfassen, welcher mit dem Abgas-Turbolader 8, oder, falls die Brennkraftmaschine keinen Abgas- Turbolader 8 aufweist, direkt mit der Abgasleitung 5 in Fluidverbindung steht. Mittels des Abgas-Katalysators 9 kann das in dem Brennraum 2 erzeugte Abgas nachbehandelt und gereinigt werden.
Die Brennkraftmaschine 1 kann auch eine Vorrichtung aufweisen, die es erlaubt die Verdichtung variabel einzustellen. Solche Vorrichtungen sind auch unter der Bezeichnung VCR (variable compression ratio) bekannt. In der Darstellung der Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen zeitlichen Verlauf des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens dargestellt. Wie aus der Darstellung der Fig. 2 ersichtlich wird die Brennkraftmaschine 1 betriebsmäßig periodisch zwischen dem ersten (I) und zweiten (II) Betriebszustand umgeschaltet. Die Brennkraftmaschine 1 befindet sich also während des Periodenzeitraums 12 einer Periode 1 1 in dem ersten (I) Betriebszustand und während des Periodenzeitraums 13 der Periode 1 1 in dem zweiten (II) Betriebszustand. Der erste Periodenzeitraum 12 kann dabei wie in der Fig. 2 gezeigt zeitlich gleich dem zweiten Periodenzeitraum 13 sein, in Varianten ist es aber
selbstverständlich auch möglich, dass der erste Periodenzeitraum 12 größer bzw. länger als der zweite Periodenzeitraum 13 ist oder umgekehrt.
Durch eine geeignete Festlegung der ersten und zweiten Periodenzeiträume 12, 13, in welchen sich die Brennkraftmaschine 1 in dem ersten bzw. zweiten Betriebszustand befindet, kann sowohl eine Abgas-Temperatur des in dem Brennraum 2 der
Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgases als auch die mittels des gemäß den
Verfahrensschritten b) und c) des nachträglichen Einspritzens und Nachzündens erzeugte zusätzliche Menge an Abgasenthalpie auf flexible Art und Weise eingestellt und korrigiert werden.
Dazu kann die Dauer der Periode 1 1 bzw. der Periodenzeiträume 12 und 13 jederzeit in Abhängigkeit von externen Parametern, wie beispielsweise einer Betriebsbedingung des Abgas-Turboladers 8 oder des Abgas-Katalysators 9, angepasst und verändert werden.
In der Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf 10' der Betriebszustände des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für die Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem die Brennkraftmaschine 1 betriebsmäßig in Abhängigkeit von der Abgas-Temperatur TAbgas des in dem Abgas-Katalysator 9 (vgl. Fig. 1 ) aufgenommenen Abgases von dem ersten in den zweiten Betriebszustand und umgekehrt umgeschaltet wird.
Die Umschaltung der Brennkraftmaschine 1 von dem zweiten (I I) in den ersten
Betriebszustand (I) erfolgt dabei dann, wenn die Abgas-Temperatur TAbgas einen ersten vorbestimmten Temperatur-Schwellwert Si überschreitet. Entsprechend erfolgt eine Umschaltung von dem ersten (I) in den zweiten (II) Betriebszustand, wenn die Abgas- Temperatur TAbgas einen zweiten Temperatur-Schwellwert S2 unterschreitet. Die
Umschaltung der Betriebszustände in Abhängigkeit von den Temperatur-Schwellwerten SL S2 ist in der Fig. 3 anhand des Graphen 13 dargestellt. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Temperatur des Abgases TAbgas und damit auch die von dieser abhängende Betriebstemperatur des der Brennkraftmaschine 1 nachgeschalteten Abgas-Katalysators 9 innerhalb eines vorbestimmten Temperatur-Intervalls verbleibt, in welchem der Abgas-Katalysator 9 das in den Brennraum 2 der Brennkraftmaschine 1 erzeugte Abgas am effektivsten reinigt.
In der Darstellung der Fig. 4 ist nun eine bevorzugte Variante des Ausführungsbeispiels gezeigt, in welcher die Durchführung der Schritte b) oder/und c) des erfindungsgemäßen nachträglichen Einspritzens bzw. Nachzündens während eines Zeitraums erfolgt, in welchem sowohl das Einlassventil 6 als auch das Auslassventil 7 wenigstens teilweise geöffnet sind. Dieser Sachverhalt wird aus der Darstellung der Fig. 4 deutlich, in welcher ein zeitlicher Verlauf 15 eines Öffnungsgrades des Auslassventils 7 und ein zeitlicher Verlauf 16 eines Öffnungsgrades des Einlassventils 6 dargestellt ist.
Der zeitliche Verlauf des Drucks im Brennraum 2 im Verbrennungsbetrieb der
Brennkraftmaschine 1 ist in der Fig. 4 mit 17 bezeichnet, wobei zusätzlich der obere Totpunkt (OT) des Kolbens 3, in welchem der Brennraum 2 ein minimales Volumen aufweist, mit 22 bezeichnet ist, während der untere Totpunkt (UT) des Kolbens 3, in welchem der Brennraum 2 ein maximales Volumen aufweist, mit 23 bezeichnet ist. Der obere Totpunkt 22 und der untere Totpunkt 23 sind in der Fig. 4 exemplarisch aufgezeigt. Je nach Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine können der Öffnungsgrad der Ventile 6 und 7 und/oder der Druckverlauf 17 im Brennraum 2 hierzu variieren. Die Öffnungsgrade der Ventile können durch den variablen Ventilbetrieb beeinflusst werden, die auch einen Einfluss auf den Druckverlauf 17 im Brennraum 2 haben. Der Druckverlauf 17 kann auch durch die variable Verdichtung (VCR) beeinflusst werden, indem beispielsweise bei niedrigen Lasten die Verdichtung erhöht wird, so dass eine verbesserte Umsetzung des eingespritzten Kraftstoffs erfolgt, wodurch der Kraftstoffverbrauch sinkt und weniger C02 ausgestoßen wird. Des Weiteren kann eine Drosselklappe bzw. ein Drosselorgan in Luftzuführungsleitung 4 vorgesehen werden, um die zuführbare Menge an Luft und somit die zur Verbrennung zur Verfügung stehende Luft im Brennraum 2 zusätzlich zu steuern.
Der maximale Hub des Auslassventils 7 ist mit 20 bezeichnet, der maximale Hub des Einlassventils 6 ist mit 21 bezeichnet. Ein bevorzugter Zeitraum für die Durchführung der Schritte b) oder/und c), in welchem also sowohl das Einlassventil 6 als auch das
Auslassventil 7 wenigstens teilweise geöffnet ist, ist in der Darstellung der Fig. 4 mit 18 bezeichnet. In diese Überschneidungsphase kommt es bei einem positiven Spülgefälle zu einem„Durchspülen" bzw.„Scavenging" des Brennraums 2 mit Luft. Vorteilhafterweise kann mit einer zusätzlichen Einspritzung bzw. Nacheinspritzung von Kraftstoff während der Ventilüberschneidungsphase der Sauerstoffgehalt im Abgas reduziert werden, so dass die Brennkraftmaschine im Hauptwärmeumsatzpunkt um den oberen Totpunkt 23 ' wirkungsgradoptimal, d.h. in der Regel mit niedrigen Abgastemperaturen, betrieben werden kann, wodurch der Kraftstoffverbrauch sinkt und gleichzeitig eine hohe
Abgastemperatur in Verbindung mit einem hohen Abgasvolumenstrom erreicht werden kann. Des Weiteren kann der Katalysator vor einer zu starken Oxidation durch den Luftanteil im Abgas geschützt werden. Ein zu hoher Luftanteil im Abgas würde zu einer Temperaturerhöhung im Katalysator führen, die letztendlich zur Zerstörung des
Katalysators führt.
In einer weiteren Variante des Ausführungsbeispiels können wie aus der Fig. 4 ersichtlich die erfindungsgemäßen Schritte b) und c) des nachträglichen Einspritzens bzw.
Nachzündens auch in dem mit 19 bezeichneten Zeitraum erfolgen, in welchem der Kolben 3 sich aufgrund des Hauptzündens gemäß Schritt a) in Richtung des unteren Totpunkts 23 bewegt oder/und das Auslassventil 7 bereits teilweise geöffnet ist (vgl. Öffnungsgrad 15 des Auslassventils).
Es ist auch denkbar, in der Abgasleitung 5 eine weitere Zündquelle, neben der
Zündquelle für den Brennraum 2, vorzusehen. Diese kann sich von der Zündquelle für den Brennraum 2 unterscheiden. Hierbei kann die weitere Zündquelle jeden Zylinder, jeweils einer Zylinderbank oder nach der Zusammenführung zweier oder mehrerer Zylinder in der Abgasleitung 5 zugeordnet werden.
Neben den Schritten a), b) und c) des erfindungsgemäße Betriebsverfahrens können jeweils mit der Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs, den Zeitpunkt der Einspritzung und dem Zeitpunkt der Zündung der Schritte a), b) und c) dynamisch so eingestellt werden, dass ein im Wesentlichen konstanter Abgasvolumenstrom und/oder konstante Abgastemperatur und/oder konstanter Sauerstoffgehalt im Abgas eingestellt werden oder den Abgasvolumenstrom und/oder die Abgastemperatur und/oder den Sauerstoffgehalt im Abgas zeitlich modelliert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsverfahren einer einen Brennraum (2) umfassenden Brennkraftmaschine (1 ) mit einem ersten (I) und einem zweiten (II) Betriebszustand, zwischen welchen die Brennkraftmaschine (1 ) umschaltbar ist,
umfassend die folgenden Schritte:
a) Hauptzünden, insbesondere Fremdzünden, eines im Brennraum (2) vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisches,
b) Nachträgliches Einspritzen einer vorbestimmten Menge von Kraftstoff in den Brennraum (2),
c) Nachzünden des in den Brennraum (2) nachträglich eingespritzten Kraftstoffs, wobei die Schritte b) und c) nur im zweiten Betriebszustand (II) durchgeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchführung der Schritte b) und c) im Wesentlichen während eines Zeitraums (18) erfolgt, in welchem sowohl ein Einlassventil (6) zum Zuführen von Luft in den Brennraum (2) als auch ein Auslassventil (7) zum Abführen von im Brennraum (2) erzeugten Abgas wenigstens teilweise geöffnet ist und ein positives Spülgefälle vorherrscht.
2. Betriebsverfahren einer einen Brennraum (2) umfassenden Brennkraftmaschine (1 ) mit einem ersten (I) und einem zweiten (II) Betriebszustand, zwischen welchen die Brennkraftmaschine (1 ) umschaltbar ist,
umfassend die folgenden Schritte:
a) Hauptzünden, insbesondere Fremdzünden, eines im Brennraum (2) vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisches,
b) Nachträgliches Einspritzen einer vorbestimmten Menge von Kraftstoff in den Brennraum (2),
c) Nachzünden des in den Brennraum (2) nachträglich eingespritzten Kraftstoffs, wobei die Schritte b) und c) nur im zweiten Betriebszustand (II) durchgeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Hauptzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches gemäß dem Schritt a) eine Rest Luftmenge im Brennraum (2) verbleibt und im Schritt b) nachträglich die vorbestimmte Menge von Kraftstoff in den Brennraum (2) eingespritzt wird und im Schritt c) die Rest Luftmenge zumindest teilweise verbrannt wird.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchführung der Schritte b) und c) im Wesentlichen während eines Zeitraums (19) erfolgt, in welchem ein Kolben (3) sich aufgrund des Hauptzündens gemäß Schritt a) in Richtung seines unteren Totpunkts (23) bewegt.
4. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Betriebsverfahren betriebsmäßig periodisch wiederholt wird, wobei eine Periode (1 1 ) einen ersten Periodenzeitraum (12), in welchem sich die
Brennkraftmaschine (1 ) im ersten (I) Betriebszustand befindet, und einen zweiten Periodenzeitraum (13), in welchem sich die Brennkraftmaschine (1 ) im zweiten (II) Betriebszustand befindet, aufweist, wobei der erste Periodenzeitraum (12) gleich dem zweiten Periodenzeitraum (13) ist oder der erste Periodenzeitraum (12) größer als der zweite Periodenzeitraum (13) ist oder der erste Periodenzeitraum (12) kleiner als der zweite Periodenzeitraum (13) ist.
5. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennkraftmaschine (1 ) ferner ein dem Brennraum (2) nachgeschaltetes Abgassystem mit einem Abgas-Katalysator (9) zum Reinigen von in dem
Brennraum (2) erzeugten Abgas umfasst, wobei die Brennkraftmaschine (1 ) betriebsmäßig in Abhängigkeit von einer Abgas-Temperatur (TAbgas) des in dem Abgas-Katalysator (9) aufgenommenen Abgases in den ersten (I) oder zweiten (II) Betriebszustand umgeschaltet wird.
6. Betriebsverfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennkraftmaschine (1 ) in den ersten (I) Betriebszustand umgeschaltet wird, wenn die Abgas-Temperatur einen ersten vorbestimmten Temperatur- Schwellwert (Si) überschreitet, und in den zweiten (II) Betriebszustand
umgeschaltet wird, wenn die Temperatur des in dem Fahrzeug-Katalysator (9) aufgenommenen Abgases einen zweiten Temperatur-Schwellwert (S2)
unterschreitet.
7. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Nachzünden gemäß Schritt c) derart zeitlich versetzt zu dem
nachträglichen Einspritzen gemäß Schritt b) erfolgt, dass eine Dauer des zeitlichen Versatzes in Abhängigkeit von einem oder mehreren der folgenden Parameter festgelegt oder festlegbar ist:
- Sauerstoffgehalt in einem von der Brennkraftmaschine (1 ) erzeugten Abgas
- Luftgehalt in einem von der Brennkraftmaschine (1 ) erzeugten Abgas
- Motorlast oder/und momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine (1 )
- Schichtungsgrad oder/und Homogenisierung des von der Brennkraftmaschine (1 ) erzeugten Abgases.
8. Brennkraftmaschine (1 ) mit einem ersten (I) und einem zweiten (II) Betriebszustand, zwischen welchen die Brennkraftmaschine zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umschaltbar ist, umfassend:
- einen Brennraum (2),
- ein Einlassventil (6) zum Zuführen von Luft in den Brennraum (1 ),
- ein Auslassventil (7) zum Abführen von Abgasen aus dem Brennraum (2),
- eine Einspritzanlage zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (2), wobei die Einspritzanlage nach einem Hauptzünden eines im Brennraum
vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisches ein optionales nachträgliches Einspritzens einer vorbestimmten Menge von Kraftstoff in den Brennraum (2) ermöglicht und dem nachträglichen Einspritzen folgenden optionalen Nachzünden des in den Brennraum (2) eingebrachten Kraftstoffs eine im Brennraum (2) vorhandene Luftmenge verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass das optionale nachträgliche Einspritzen und das nachträgliche optionale Nachzünden nur im zweiten Betriebszustand (II) erfolgen.
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