DE19944534A1 - Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors mit wechselnder Kompressions- und Fremdzündung wird Kraftstoff direkt eingespritzt, Frischgas zugeführt und Verbrennungsabgas abgeführt. Bei Leerlauf, niedriger und mittlerer Teillast wird ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und rückgehaltenem Abgas gebildet für die Kompressionszündung und bei hoher Teillast und Vollast wird ein homogenes, stöchiometrisches Gemisch gebildet für die Fremdzündung. Ferner erfolgt eine Abgasrückhaltung, ein Abgasaufstau und eine Aktivierungseinspritzung in das rückgehaltene Abgas. DOLLAR A Zur Optimierung des Motorbetriebs wird der Verbrennungsmotor zugleich mit einem zündwilligen Zündkraftstoff und einem zündträgen Hauptkraftstoff betrieben, wobei die Einspritzanlage mit ihren Einspritzzeiten und Einspritzmengen unter Berücksichtigung der Erfordernisse und Möglichkeiten des Zweistoffbetriebs auf optimale Verbrennung hin abgestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung.

Als Verbrennungsmotor wird eine Maschine verstanden, die in einer Anzahl veränderlicher Volumina Gemische aus Luft und Kraftstoff verbrennt und die freigesetzte thermische Ener­ gie über den entstehenden Gasdruck in den Volumina in me­ chanische Energie umsetzt. Dia Gemische werden durch Di­ rekteinspritzung des Kraftstoffs innerhalb der als Brenn­ räume fungierenden Volumina gebildet.

Die Verbrennung wird zumindest im Leerlauf und bei Teillast durch Kompressionszündung eingeleitet. Diese bietet bei ma­ geren Gemischen ein gutes Potential, Luft/Kraftstoff-Gemi­ sche bei gutem Wirkungsgrad und ohne Stickoxidbildung zu verbrennen. Die Kompressionszündung kann bei motorisch üb­ lichen Verdichtungen nur mit Abgasrückhaltung und Abgasak­ tivierung betrieben werden. Dabei bedeutet Abgasaktivierung eine Aktivierungseinspritzung von Kraftstoff in heißes, komprimiertes und sauerstoffhaltiges Abgas. Eine solche Zündung und Verbrennung kann nur in einem schmalen Teil­ last-Kennfeldbereich stabil verwirklicht werden. Für höhere Motorlasten ist eine ottomotorische Zündung und Verbrennung erforderlich.

Der instationäre Betrieb eines Verbrennungsmotors erfordert eine schnelle Regelbarkeit der Motorlast und einen schnel­ len Übergang zwischen den beiden Betriebsarten. Der direk­ te, wechselseitige Übergang zwischen der ottomotorischen Zündung und der Verbrennung energiereicher stöchiometri­ scher Gemische und der Kompressionszündung magerer Gemische stellt eine starke Änderung der thermischen und gasdynami­ schen Zustände im Motor dar.

Die Kompressionszündung erfolgt über eine Temperaturerhö­ hung des Luft/Kraftstoff-Gemisches. Die Temperaturerhöhung des Frischgemisches wird durch Mischen mit den Abgasantei­ len des vorhergehenden Zyklus und durch die sich anschlie­ ßende geometrische Kompression des abgeschlossenen, maxima­ len Ausgangsvolumens auf ein verbleibendes Restvolumen be­ wirkt. In dem verbleibenden komprimierten Restvolumen stellt sich eine Temperatur ein, die das Gemisch zur Ent­ zündung bringt. Der Verbrennungsprozeß, der sich an die Kompressionszündung magerer Gemische anschließt, ist auf­ grund der freigesetzten Energie ein selbsterhaltender bzw. selbstverstärkender Prozeß. Die Einleitung und Regelung dieser Verbrennung kann durch variable Verdichtung mittels variierbarem Einlaßschluß oder über variierbarer Abgasrück­ haltung mit Aktivierungseinspritzung erfolgen. Eine klopf­ freie Laststeigerung kann über Verdampfungskühlung durch spät eingespritzten Kraftstoff verwirklicht werden.

Die Verbrennung des mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches ist abhängig vom Anteil der Brennraummasse an rückgehaltenem Abgas mit dem Luftüberschuß aus dem vorangegangenen Zyklus sowie der zugeführten Frischluft sowie dem direkt in den Brennraum eingebrachten Kraftstoff. Die jeweilige Zusammen­ setzung des Gemisches beeinflußt den Beginn und damit den Verlauf der Energiefreisetzung. Ein hoher Anteil rückgehal­ tenen Abgases beeinflußt den nachfolgenden Zyklus. Eine Vorsteuerung der Verbrennung ist durch die gezielte Ein­ spritzung im Rahmen der Aktivierung möglich.

Dazu wird der Kraftstoff in das im Brennraum rückgehaltene Abgas eingespritzt, wodurch eine vorwiegend endotherme Vor­ reaktion des zugeführten Kraftstoffs mittels Abgaswärme und heißer Restluft herbeigeführt wird, die die nachfolgend komprimierte, vollständige Ladung bei der Einleitung der exothermen Reaktion beeinflußt.

In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 198 18 596.0 ist ein gattungsgemäßer Verbrennungsmotor beschrie­ ben, in dem das für die motorische Realisation der Kompres­ sionszündung angestrebte mechanische Konzept dargestellt ist. Die notwendige Abgasrückhaltung wird durch eine mecha­ nische Vorsteuerung einer binär umschaltbaren Nockenwelle verwirklicht, deren umgeschaltete Nockenform zu verkürzten Ventilsteuerzeiten (Ventilunterschneidung) und damit zur Kompression des rückgehaltenen Abgases führt. Die Menge des Abgases wird über eine Abgasstauklappe, die nach den Aus­ laßorganen angeordnet ist, gesteuert. Diese regelt über den Staudruck und die daraus resultierende Druckdifferenz zum Brennraum die rückgehaltene Abgasmenge.

Weiterhin sind eine Aktivierungseinspritzung in das rückge­ haltene Abgas und eine Fremdzündung für den Vollastbetrieb mit stöchiometrischem Gemisch vorgesehen.

Stöchiometrische Gemische werden bei Ventilsteuerzeiten oh­ ne Abgasrückhaltung, ottomotorisch gezündet und verbrannt. Die Lastregelung findet dabei über eine Drosselung des stöchiometrischen Gemischmassenstroms statt. Bei der Ver­ brennung eines stöchiometrischen Gemisches weist das Abgas eine hohe Temperatur auf. Der Wirkungsgrad des Motors mit Drosselregelung leidet unter den drosselinduzierten Verlu­ sten.

Der Übergangsbereich zwischen Kompressions- und Fremdzün­ dung ist der mittlere Lastbereich mit Drosselregelung. Bei ottomotorischem Betrieb wird die Motorlast über die Ge­ mischmenge mit der Einlaßdrosselklappe gesteuert und bei Kompressionszündung über die Abgasmenge mit der Abgasstau­ klappe, da diese die rückgehaltene Abgasmenge und damit die ansaugbare Menge der Frischladung bestimmt.

Die ottomotorische Verbrennung toleriert einen nur einge­ schränkten Abgasanteil im Luft/Kraftstoff-Gemisch. Ein ot­ tomotorischer Betrieb bei der Nockenwellenstellung für Ab­ gasrückhaltung ist nicht möglich. Andererseits ist ein Be­ trieb mit Kompressionszündung magerer Gemische bei ottomo­ torischer Verdichtung ohne Abgasrückhaltung ebenfalls nicht möglich. Die vorgesehene Abgasstauklappe kann in diesem Fall allein nicht ausreichend Abgas entsprechender Tempera­ tur und Aktivierung bereitstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Ver­ brennungsmotor ein gattungsgemäßes Verfahren zur wirkungs­ gradoptimalen Beeinflussung von Beginn und Verlauf der Ver­ brennung in dessen gesamten Betriebsbereich anzugeben. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Steuerung der Reaktionseinleitung durch Einstellung von Temperatur und Konzentration mit Hilfe einer einstell­ baren Verdichtung oder Vorwärmung der angesaugten Frischla­ dung im Kompressionsvolumen ist aufwendig. Die erforderli­ che Temperatur und Konzentration chemisch aktiver Komponen­ ten im Gemisch kann auch durch eine gesteuerte Verbrennung eines Zündkraftstoffes bewirkt werden. Der Zündkraftstoff ist leichter entzündlich als der Hauptkraftstoff, somit be­ ginnt die Energiefreisetzung bereits bei niedrigerer zuge­ führter Energiemenge, denn der Zündkraftstoff zündet bzw. brennt bereits vor dem Hauptkraftstoff. Als Zündkraftstoff kann ein niedrigoktaniger Kraftstoff (n-Heptan) dienen, als Hauptkraftstoff ein hochoktaniger Kraftstoff (Superbenzin, iso-Oktan). Die Bereitstellung der beiden Kraftstoffe kann durch Trennung eines Ausgangskraftstoffes in einen Zünd- und einen Hauptkraftstoff während des Aggregatbetriebes er­ folgen, oder durch zwei getrennte Bevorratungssysteme. Die Trennung der Kraftstoffe während des Betriebes kann bei­ spielsweise durch thermische (Destillation), chemische oder elektrolytische Trennungsprozesse erfolgen.

Technisch können die zwei verschiedenen Kraftstoffe bei di­ rekteinspritzenden Verbrennungsmotoren in flüssiger Form vor dem Gemischbildungssystem oder in flüssiger oder gas­ förmiger Form nach den Zumeßeinheiten innerhalb des Brenn­ raumes zusammengeführt werden. Für die Steuerung der Ener­ giefreisetzung können die unterschiedlichen Eigenschaften des Zünd- und des Hauptkraftstoffes gezielt eingesetzt wer­ den.

Hinsichtlich der Abgasrückhaltung kann der Zündkraftstoff den thermischen und reaktionskinetischen Zustand des im Brennraum zurückgehaltenen Abgases aufgrund seiner leichten Entzündlichkeit schneller und auch genauer einstellen und damit das vorgegebene Verhalten der Verbrennung schneller regeln.

Die Verbrennung kann durch die verschiedenen Zünd- und Ge­ mischbildungseigenschaften der zugeführten Kraftstoffe be­ einflußt werden, dies entspricht dem Prinzip der Schichtla­ dung. Bei zunehmender Menge und früherem Zeitpunkt der Zu­ messung des leichtflüchtigen Zündkraftstoffes wird die Re­ aktionsintensität im Brennraum erhöht. Dadurch kann eine verzögerte Reaktionseinleitung des Gesamtprozesses wegen der angestrebten lokalen Abkühlung zum Zwecke einer Entzer­ rung der Energiefreisetzung über eine später oder aufge­ teilte Zuführung des Hauptkraftstoffes kompensiert werden. Je früher die Zündeinspritzung gewählt wird, desto früher wird Energie im Brennraum freigesetzt. Diese frühe Energie­ freisetzung ermöglicht eine stärkere Entzerrung der Ver­ brennung durch einen sehr späten Einspritzzeitpunkt des Hauptkraftstoffs bei gleichem Reaktionsbeginn desselben. Die Aufteilung der Einspritzmenge und die Spreizung der Einspritzzeitpunkte wird von den Eigenschaften der Gemisch­ bildner, der Ladungsbewegung im Brennraum und der Bildung von Schwarzrauch durch späte Einspritzung des Hauptkraft­ stoffes in heißes Brennraumgas begrenzt.

Für zwei unterschiedliche Einspritzsysteme kann die Wirkung der Aktivierung durch Einspritzung von Zündkraftstoff in das zurückgehaltene und komprimierte Abgas mit Heißluft verstärkt werden. Der leichtflüchtige und schnellentzündli­ che Zündkraftstoff erhöht die thermischen und reaktionski­ netischen Bedingungen im Brennraum erheblich schneller und ermöglicht somit die Reduktion der rückgehaltenen Abgas­ menge oder deren geometrische Grundverdichtung, da weniger Temperatur und Verdichtung für die reaktionskinetische Auf­ bereitung des rückgehaltenen Abgases benötigt werden. Der Hauptkraftstoff kann direkt in den Brennraum eingebracht oder gemeinsam mit der Ansaugluft dem Brennraum zugeführt werden.

Die gleichzeitige Verwendung von leicht- und schwerentzünd­ lichen Kraftstoffen vereinfacht die instationäre Steuerung und Regelung eines Mehrzylindermotors mit Kompressionszün­ dung. Die auftretenden Differenzen der Zylinderladung, der Abgasrückstauung und der Temperaturverteilung in den ein­ zelnen Zylindern können über die Erhöhung des Anteils am Zündkraftstoff für die Zylinder mit schlechteren Bedingun­ gen der Reaktionseinleitung kompensiert werden. Durch die unterschiedliche Aufteilung der Kraftstoffe auf die einzel­ nen Zylinder kann deren ungleichmäßige Energiefreisetzung kompensiert werden. Der Übergang zwischen ottomotorischer Zündung stöchiometrischer Gemische und Kompressionszündung magerer Gemische kann mit der Verfügbarkeit zweier Kraft­ stoffe verbessert werden. Die Kompressionszündung nach ot­ tomotorischem Betrieb wird durch den Einsatz eines Zünd­ kraftstoffes begünstigt.

Nach erfolgtem Übergang auf Kompressionszündung kann die Kraftstoffzusammensetzung während des Betriebes geändert und auf die angestrebte Betriebsart eingestellt werden. Für den Übergang von Kompressions- auf Fremdzündung kann mit dem Einsatz von schwererentzündlichem Hauptkraftstoff al­ lein die Klopfneigung auch bei eventuell noch erhöhter Ab­ gasmenge im Brennraum verringert werden. Für alle Einsatz­ fälle gilt, daß eine Steuerlogik vorgesehen ist, die über geeignete Sensoren (z. B. Drehmomentsensor, akustischer Sensor, Zylinderdrucksensor) die Verbrennungsqualität ana­ lysiert und die Kraftstoffaufteilung wirkungsgradoptimal (optimale Verbrennungslage) regelt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Verbrennungsmotor mit vier Brennräumen und zwei Zumeßeinheiten pro Brennraum in schematischer Darstellung

Fig. 2 diverse Brennraumdruckdiagramme für unterschiedliche Zündkraftstoffmengen.

Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder­ block 1, in dem vier Brennräume 2 angeordnet sind. In jeden Brennraum 2 münden eine erste Zumeßeinheit 3 für Zündkraft­ stoff und eine zweite Zumeßeinheit 4 für Hauptkraftstoff. Beide Zumeßeinheiten 3, 4 werden durch eine Einspritzsteu­ ereinheit 5 gesteuert. Diese Einspritzsteuereinheit 5 ist mit einer Elektronik 6 verbunden, die eine Drehmomentbeur­ teilung durchführt und entsprechende Daten an die Ein­ spritzsteuereinheit 5 liefert. Die Elektronik 6 wiederum steht in Verbindung mit einem Drehzahlgeber 7, der im Um­ fangsbereich eines Schwungrads 8 angeordnet ist.

In Fig. 2 sind diverse Brennraumdruckdiagramme mit in Rich­ tung des Pfeils ansteigendem Anteil des Zündkraftstoffs dargestellt. Bei konstantem Einspritzbeginn liegt mit wach­ sendem Anteil des Zündkraftstoffs der Beginn der Verbren­ nung immer früher und der Spitzendruck immer höher. Fig. 2 zeigt die Formbarkeit des Brennraumdruckdiagramms durch den Zündkraftstoff.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors mit folgenden Merkmalen:

• - Kraftstoff wird in mindestens einen Brennraum, dessen Volumen sich zyklisch ändert, direkt eingespritzt;
• - Frischgas wird durch mindestens ein Einlaßorgan und Verbrennungsabgase durch mindestens ein Auslaßorgan zu- bzw. abgeführt;
• - bei Leerlauf und im Bereich der unteren bzw. mittle­ ren Teillast wird ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und rückgehaltenem Abgas gebildet, das durch Kompressionszündung gezündet wird;
• - bei hoher Teillast und Vollast wird ein homogenes, stöchiometrisches Gemisch gebildet, das fremdgezündet wird;
• - eine Abgasrückhaltung erfolgt durch schaltbare Ven­ tilunterschneidung und durch Abgasstau mittels einer von motorlast- und drehzahlabhängigen, für alle Brennräume wirksamen Abgasdrosselklappe;
• - es erfolgt eine zylinderselektive und zykluskonsi­ stente Aktivierungseinspritzung in das rückgehaltene Abgas;
• - der Verbrennungsmotor wird mit zwei Kraftstoffen, nämlich einem zündwilligen Zündkraftstoff und einem zündträgen Hauptkraftstoff, betrieben;
• - die Einspritzzeiten und Einspritzmengen werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Erfordernisse des Zweistoffbetriebs auf optimale Verbrennung hin abge­ stimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zündwilliger niedrigok­ taniger Kraftstoff (z. B. n-Heptan) und als zündträger hochoktaniger Kraftstoff (z. B. iso-Oktan) Verwendung finden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zündwillige und der zündunwillige Kraftstoff während des Aggregatbetriebs aus einem Ausgangskraftstoff, vorzugsweise durch ther­ mische, chemische oder elektrolytische Trennungspro­ zesse gewonnen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kraftstoffe im flüssigen Zustand vor dem Gemischbildungssystem oder in flüssigem oder gasförmigen Zustand nach getrennten Zu­ messungseinheiten innerhalb des Brennraumes zusammenge­ führt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels geeigneter Sensoren die Werte für z. B. Drehmoment, Zylinderdruck, Zylin­ derwandschwingungen die Verbrennungsqualität ermittelt und in einer Steuerlogik analysiert werden und in Ab­ hängigkeit berechneter Ausgangsgrößen die Aufteilung der beiden Kraftstoffe wirkungsgradoptimal geregelt wird.