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EP1323908B1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1323908B1
EP1323908B1 EP02450288A EP02450288A EP1323908B1 EP 1323908 B1 EP1323908 B1 EP 1323908B1 EP 02450288 A EP02450288 A EP 02450288A EP 02450288 A EP02450288 A EP 02450288A EP 1323908 B1 EP1323908 B1 EP 1323908B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stroke
ignition
fuel
combustion chamber
cycle
Prior art date
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EP02450288A
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EP1323908A2 (de
Inventor
Alois Dipl.-Ing. Fürhapter
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Publication date
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Publication of EP1323908A3 publication Critical patent/EP1323908A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/12—Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B75/021—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having six or more strokes per cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • DE 33 17 128 A1 describes an internal combustion engine which operates after a six-stroke cycle.
  • a fuel-air mixture is introduced into the cylinder, which is compressed in a first compression stroke.
  • a first power stroke takes place.
  • the combustion products are compressed.
  • the cylinder contents are ignited by a spark plug.
  • a second power stroke due to the expansion of the compressed combustion products and finally an exhaust stroke during which the combustion gases are expelled from the cylinder.
  • the exhaust gas temperature is no longer sufficient, even with extremely high amounts of residual gas, in order to heat the charge so strongly that a reliable auto-ignition is achieved.
  • the longer cycle times at low speeds have a negative effect on the filling temperatures, as more time is available for the heat transfer.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to develop a method for operating an internal combustion engine with which, on the one hand, high efficiency and, on the other hand, low emissions can be achieved.
  • this is achieved in that the injection of the second subset of gasoline fuel in the third cycle, preferably in the second half of the third cycle, that in the combustion chamber before the second ignition an at least approximately homogeneous fuel-air mixture is formed and that the second ignition by compression ignition of this homogeneous fuel-air mixture takes place.
  • the fuel-air mixture formed during the second cycle is lean and stratified and has a high excess air with an air / fuel ratio of ⁇ > 1.5.
  • the excess air ensures that sufficient oxygen is available for the second combustion.
  • the temperature of the burnt gas is relatively low, but high enough to guarantee safe auto-ignition in the second combustion cycle. It is particularly advantageous if, by adjusting the size of the first subset of the Otto fuel injected in the second cycle, the combustion occurring after the second ignition in the fifth cycle is regulated. By simply varying the amount of the first injection or by varying the split between the first and second injections, the composition of the combustion gas and thus the initial condition for the compression ignition can be changed or adjusted.
  • the stratified combustion has the advantage of a very high efficiency.
  • a pressure adjustment in the combustion chamber is performed in the region of the transition between the third and the fourth cycle.
  • the pressure level control in the combustion chamber can be used to control the auto-ignition. It when the pressure adjustment is carried out by a short-term opening of at least one lift valve, preferably an inlet valve is particularly advantageous.
  • an existing from the sixth and the first cycle first cycle is the gas exchange, that is, the expulsion of exhaust gas, as well as the intake of fresh filling.
  • the second cycle - second and third cycle - consists of compression, spark ignition, lean burn (SCSI Stratified Charge Spat Ignition) and expansion, forming the first cycle.
  • the lean exhaust from this first cycle is not expelled but remains in the cylinder and serves as a charge for the following third cycle (fourth and fifth).
  • This third cycle is the second cycle and is characterized by homogeneous compression ignition (HCCI). This is followed by the expulsion of the exhaust gas of the first cycle again.
  • HCCI homogeneous compression ignition
  • the figure shows the valve strokes h of the exhaust valves and the intake valves, wherein the reference valve 1 designates the exhaust valve lift and reference symbol 2 designates the intake valve lift.
  • Line 3 shows the injection events in the combustion chamber.
  • the working method has six bars I, II, III, IV, V, VI, with two bars each belonging to a cycle A, B, C.
  • the first cycle A is the gas exchange and consists of the clock VI for expelling the exhaust gas and the clock I for the intake of air.
  • the second cycle B consists of the clock II, in which the air is compressed in the cylinder and a first subset of gasoline fuel is injected, and the clock III the first stroke of the piston.
  • the first subset of gasoline fuel is injected, as indicated by reference numeral 3a.
  • the lean and stratified mixture is ignited by an ignition device, as indicated by reference numeral 5. This results in a lean layer combustion.
  • the lean exhaust gas from the first cycle B is not expelled, but remains in the cylinder and serves as a filling for the subsequent third cycle C, the second cycle.
  • the second cycle includes the clock IV, during which the cylinder contents are recompressed, and the clock V, the second working stroke of the piston, on.
  • a short opening of at least one inlet valve may be provided in order to regulate the pressure level in the cylinder.
  • This brief opening of the inlet valve is indicated by reference numeral 2a.
  • the duck adjustment by briefly opening the intake valve in the region of the bottom dead center between the cycle III and the cycle IV can be used for the control of the auto-ignition.
  • Lean stratified combustion in cycle B works with high excess air and produces very low NO x emissions, especially with very low injected fuel.
  • the temperature of the burned gas is relatively low, but high enough to guarantee a safe auto-ignition in the following cycle C.
  • the composition of the combustion gas and thus the starting condition for the compression ignition 6 can be changed or adjusted. Both the stratified combustion and the homogeneous self-ignition are characterized by a high degree of efficiency.
  • compression ignition 6 offers clear advantages.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem Sechstakt-Verfahren mit folgender Taktfolge:
    • 1.Takt: Ansaugen von Luft in einen Brennraum,
    • 2. Takt: Verdichten der Luft und Einspritzen einer ersten Teilmenge von Otto-Kraftstoff in den Brennraum,
    • 3. Takt: Erster Arbeitshub mit vorangegangener erster Zündung des Gemisches, wobei die erste Zündung durch eine Zündeinrichtung eingeleitet wird,
    • 4. Takt: Neuverdichtung des Brennrauminhaltes,
    • 5. Takt: Zweiter Arbeitshub mit vorangegangener zweiter Zündung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches,
    • 6. Takt: Ausschieben der Abgase aus dem Brennraum,
    wobei vor der zweiten Zündung eine Einspritzung einer zweiten Teilmenge von Otto-Kraftstoff erfolgt.
  • Aus der DE 34 06 732 A1 ist ein Arbeitsverfahren für Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung bekannt, bei dem die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches durch eine Zündeinrichtung oder mittels Selbstzündung erfolgt. Das Arbeitstaktverfahren läuft dabei in sechs Takten mit der folgenden Taktweise ab:
    • 1. Takt: Ansaugen,
    • 2. Takt: Verdichten und Einspritzen einer Kraftstoffteilmenge,
    • 3. Takt: erster Arbeitstakt,
    • 4. Takt: Neu verdichten der Abgase, die noch ungebundenen Sauerstoff enthalten und Einspritzen einer zweiten Kraftstoffteilmenge,
    • 5. Takt: Zweiter Arbeitstakt,
    • 6. Takt: Ausschieben.
  • Dieses Verfahren wird sowohl für den Diesel-Motor, bei dem die Zündung des Kraftstoffes durch Kompressionszündung erfolgt, als auch für den Otto-Motor, bei dem die Zündung des Kraftstoffes durch eine Zündeinrichtung erfolgt, beschrieben.
  • Die DE 33 17 128 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, welche nach einem Sechstakt-Zyklus arbeitet. Während eines Einlasshubes wird ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen, welches in einem ersten Kompressionshub komprimiert wird. Im Anschluss an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches erfolgt ein erster Krafthub. In einem darauffolgenden zweiten Kompressionshub werden die Verbrennungsprodukte komprimiert. Am Ende des zweiten Kompressionshubes wird der Zylinderinhalt durch eine Zündkerze gezündet. Es folgt ein zweiter Krafthub in Folge der Expansion der komprimierten Verbrennungsprodukte und schließlich ein Auslasshub, währenddessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden.
  • Bei den bekannten Sechstakt-Brennkraftmaschinen liegt zu Beginn des ersten und des zweiten Arbeitshubes entweder Kompressionszündung von Diesel- oder Fremdzündung von Otto-Kraftstoff vor.
  • Brennkraftmaschinen, welche zumindest teilweise und mit homogener Fremdzündung von Benzin betrieben werden, benötigen für eine sichere Zündung des Luft-Kraftstoff-Restgasgemisches hohe Füllungstemperaturen, sowie hohe Restgasmengen.
  • Aus der AT 3.135 U ist ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Kraftstoffbetriebenen Brennkraftmaschine bekannt, deren Motorbetriebsbereich Selbstzündungs- und Fremdzündungsbereiche aufweist. Während der Teillast wird die Brennkraftmaschine selbstgezündet betrieben, wobei ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt wird und die Verbrennung durch Selbstzündung dieses Kraftstoffgemisches eingeleitet wird. Das aus dem englischen Sprachraum als HCCI-Verfahren (Homogenous Charge Compression Ignition) bezeichnete Verfahren hat besondere Vorteile hinsichtlich der Entstehung von Emissionen. In der AT 5.140 U wird ein Verfahren beschrieben, mit welchem die Selbstzündung des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches durch den Restgasgehalt im Brennraum gesteuert werden kann.
  • Speziell bei niedrigen Drehzahlen und Lasten reicht die Abgastemperatur selbst bei extrem hohen Restgasmengen allerdings nicht mehr aus, um die Füllung so stark zu erwärmen, dass eine sichere Selbstzündung erreicht wird. Außerdem wirken sich die längeren Zykluszeiten bei niedrigen Drehzahlen negativ auf die Füllungstemperaturen aus, da mehr Zeit für den Wärmeübergang vorhanden ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu entwickeln, mit welchem einerseits ein hoher Wirkungsgrad und andererseits niedrige Emissionen erreicht werden können.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Einspritzung der zweiten Teilmenge von Otto-Kraftstoff im dritten Takt, vorzugsweise in der zweiten Hälfte des dritten Taktes, erfolgt, dass im Brennraum vor der zweiten Zündung ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch gebildet wird und dass die zweite Zündung durch Kompressionszündung dieses homogenen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt.
  • Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das während dem zweiten Takt gebildete Kraftstoff-Luftgemisch mager und geschichtet ist und einen hohen Luftüberschuss mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis von λ > 1,5 aufweist. Der Luftüberschuss gewährleistet, dass für die zweite Verbrennung noch ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht. Speziell bei sehr geringen eingespritzten Kraftstoffmengen werden durch die magere Schichtverbrennung nur sehr geringe NOx-Emissionen gebildet. Die Temperatur des verbrannten Gases ist relativ niedrig, aber hoch genug, um damit eine sichere Selbstzündung im zweiten Verbrennungszyklus zu garantieren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch Einstellen der Größe der ersten Teilmenge des im zweiten Takt eingespritzten Otto-Kraftstoffes die im Anschluss an die zweite Zündung im fünften Takt stattfindende Verbrennung geregelt wird. Durch einfaches Variieren der Menge der ersten Einspritzung oder durch Verändern der Aufteilung zwischen erster und zweiter Einspritzung kann die Zusammensetzung des Verbrennungsgases und somit die Ausgangsbedingung für die Kompressionszündung verändert beziehungsweise angepasst werden.
  • Darüber hinaus hat die Schichtverbrennung den Vorteil eines sehr hohen Wirkungsgrades.
  • Aber auch die homogene Selbstzündung zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad aus. Speziell hinsichtlich NOx- und Ruß-Emissionen bietet die Kompressionszündung wesentliche Vorteile. Auch der Umstand, dass eventuell entstehender Ruß beziehungsweise Kohlenwasserstoffemissionen aus dem ersten Arbeitszyklus einer weiteren Verbrennung zugeführt und damit verbrannt werden, wirkt sich positiv auf die Emissionen aus.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsvarianten der Erfindung ist vorgesehen, dass im Bereich des Überganges zwischen dem dritten und dem vierten Takt eine Druckanpassung im Brennraum durchgeführt wird. Die Druckniveauregulierung im Brennraum kann für die Steuerung der Selbstzündung genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Druckanpassung durch ein kurzfristiges Öffnen zumindest eines Hubventils, vorzugsweise eines Einlassventils durchgeführt wird.
  • Dabei dient ein aus dem sechsten und dem ersten Takt bestehender erster Zyklus dem Gaswechsel, das heißt dem Ausschieben von Abgas, sowie dem Ansaugen von Frischfüllung. Der zweite Zyklus - zweiter und dritter Takt- besteht aus Kompression, fremdgezündeter, magerer Schichtverbrennung (SCSI - Stratified Charge Spat Ignition) und Expansion und bildet den ersten Arbeitszyklus. Das magere Abgas aus diesem ersten Arbeitszyklus wird nicht ausgeschoben sondern verbleibt im Zylinder und dient als Füllung für den folgenden dritten Zyklus (vierter und fünfter Takt). Dieser dritte Zyklus ist der zweite Arbeitszyklus und wird durch eine homogene Kompressionszündung (HCCI) charakterisiert. Darauf folgt wieder das Ausschieben des Abgases des ersten Zyklus.
  • Die niedrigen Ladungswechselverluste und die Kombination der beiden Brennverfahren SCSI und HCCI, so wie die Tatsache, dass bei diesem Sechstakt-Arbeitsverfahren zwei Arbeitszyklen einem Ladungswechselzyklus gegenüber stehen, garantieren hohes Verbrauchspotential bei niedrigsten Emissionen.
  • Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.
  • Die Figur zeigt die Ventilhübe h der Auslassventile und der Einlassventile, wobei mit Bezugszeichen 1 der Auslassventilhub und mit Bezugszeichen 2 der Einlassventilhub bezeichnet ist.
  • Die Linie 3 zeigt die Einspritzereignisse in den Brennraum.
  • Im unteren Teil des Diagramms ist der Zylinderdruck p über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen. Diese Kurve ist mit Bezugszeichen 4 bezeichnet.
  • Das Arbeitsverfahren weist sechs Takte I, II, III, IV, V, VI auf, wobei jeweils zwei Takte einem Zyklus A, B, C angehören. Der erste Zyklus A dient dem Gaswechsel und besteht aus dem Takt VI zum Ausschieben des Abgases und dem Takt I zum Ansaugen von Luft. Der zweite Zyklus B besteht aus dem Takt II, bei dem die Luft im Zylinder verdichtet wird und eine erste Teilmenge von Otto-Kraftstoff eingespritzt wird, sowie den Takt III dem ersten Arbeitshub des Kolbens. Am Ende des Taktes II wird die erste Teilmenge von Otto-Kraftstoff eingespritzt, wie mit Bezugszeichen 3a angedeutet ist. Gleich darauf wird am Ende des Taktes II das magere und geschichtete Gemisch durch eine Zündeinrichtung gezündet, wie durch Bezugszeichen 5 angedeutet ist. Dabei erfolgt eine magere Schichtverbrennung. Das magere Abgas aus dem ersten Arbeitszyklus B wird nicht ausgeschoben, sondern verbleibt im Zylinder und dient als Füllung für den darauffolgenden dritten Zyklus C, dem zweiten Arbeitszyklus. Der zweite Arbeitszyklus weist den Takt IV, während dem der Zylinderinhalt neu verdichtet wird, und den Takt V, den zweiten Arbeithub des Kolbens, auf.
  • In der zweiten Hälfte des Taktes III wird eine zweite Teilmenge von Otto-Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Durch diese frühe Einspritzung wird bis zum durch Bezugszeichen 6 angedeuteten Zeitpunkt der zweiten Zündung eine Homogenisierung des Gemisches erreicht. Die zweite Zündung 6 ist eine Kompressionszündung. Danach erfolgt im Takt VI wieder das Ausschieben des Abgases.
  • Zwischen den beiden Arbeitszyklen B und C kann ein kurzes Öffnen zumindest eines Einlassventils vorgesehen sein, um das Druckniveau im Zylinder zu regulieren. Dieses kurze Öffnen des Einlassventils ist mit Bezugszeichen 2a angedeutet. Die Duckanpassung durch kurzes Öffnen des Einlassventils im Bereich des unteren Totpunktes zwischen dem Zyklus III und dem Zyklus IV kann für die Steuerung der Selbstzündung genutzt werden.
  • Die magere Schichtverbrennung im Arbeitszyklus B funktioniert mit hohem Luftüberschuss und produziert speziell bei sehr wenig eingespritztem Kraftstoff sehr geringe NOx-Emissionen. Auch die Temperatur des verbrannten Gases ist relativ gering, jedoch aber hoch genug, um damit eine sichere Selbstzündung im folgenden Arbeitszyklus C zu garantieren. Durch einfaches Variieren der Einspritzmenge kann die Zusammensetzung des Verbrennungsgases und somit die Ausgangsbedingung für die Kompressionszündung 6 verändert beziehungsweise angepasst werden. Sowohl die Schichtverbrennung als auch die homogene Selbstzündung zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus.
  • Speziell hinsichtlich der NOx- und Ruß-Emissionen bietet die Kompressionszündung 6 deutliche Vorteile. Auch der Umstand, dass eventuell entstehender Ruß beziehungsweise Kohlenwasserstoffemissionen aus dem ersten Arbeitszyklus B einer weiteren Verbrennung zugeführt und damit verbrannt werden, wirkt sich positiv auf die Emissionen aus.
  • Der niedrige Ladungswechselverlust und die Kombination der beiden Brennverfahren, sowie die Tatsache, dass bei dem beschriebenen Sechstakt-Verfahren zwei Arbeitszyklen B, C einem Ladungswechselzyklus A gegenüberstehen, garantieren hohes Verbrauchspotential bei niedrigsten Emissionen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem Sechstakt-Verfahren mit folgender Taktfolge:
    - 1.Takt (I): Ansaugen von Luft in einen Brennraum,
    - 2. Takt (II): Verdichten der Luft und Einspritzen (3a) einer ersten Teilmenge von Otto-Kraftstoff in den Brennraum,
    - 3. Takt (III): Erster Arbeitshub mit vorangegangener erster Zündung (5) des Gemisches, wobei die Zündung (5) durch eine Zündeinrichtung eingeleitet wird,
    - 4. Takt (IV): Neuverdichtung des Brennrauminhaltes,
    - 5. Takt (V): Zweiter Arbeitshub mit vorangegangener zweiter Zündung (6) des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches,
    - 6. Takt (VI): Ausschieben der Abgase aus dem Brennraum,
    wobei vor der zweiten Zündung (6) eine Einspritzung (3b) einer zweiten Teilmenge von Otto-Kraftstoff erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (3b) der zweiten Teilmenge von Otto-Kraftstoff im dritten Takt (III), vorzugsweise in der zweiten Hälfte des dritten Taktes (III), erfolgt, dass im Brennraum vor der zweiten Zündung (6) ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch gebildet wird und dass die zweite Zündung (6) durch Kompressionszündung dieses homogenen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des zweiten Taktes (II) ein geschichtetes, mageres Kraftstoff-Luftgemisch mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis λ > 1,5 gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Überganges zwischen dem dritten und dem vierten Takt (III, IV) eine Druckanpassung im Brennraum durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanpassung durch ein kurzfristiges Öffnen (2a) zumindest eines Hubventils, vorzugsweise eines Einlassventils durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellen der Größe der ersten Teilmenge des im zweiten Takt (II) eingespritzten Otto-Kraftstoffes die im Anschluss an die zweite Zündung (6) im fünften Takt (V) stattfindende Verbrennung geregelt wird.
EP02450288A 2001-12-27 2002-12-19 Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP1323908B1 (de)

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Publication Number Publication Date
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EP1323908A3 EP1323908A3 (de) 2003-10-29
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