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DE10138117A1 - Verfahren zur Steuerung und Regelung der Taktzahl und Taktfolge des motorischen Prozesses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Steuerung und Regelung der Taktzahl und Taktfolge des motorischen Prozesses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine

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DE10138117A1
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Germany
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air ratio
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Klaus Allmendinger
Karlheinz Baier
Hubert Hemberger
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Taktzahl und Taktfolge des motorischen Prozesses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, wobei bei überstöchiometrischer Verbrennung der für eine Verbrennung noch nicht verwendete Restsauerstoff für weitere Arbeitstakte verwendbar ist und ein Ladungswechsel erst dann stattfindet, nachdem der im Brennraum vorhandene Restsauerstoff vollständig verbrannt ist oder das im Brennraum vorhandene Luftverhältnis lambda einen unteren Grenzwert lambda¶grenz¶ unterschritten hat.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung und Regelung der Taktzahl und Taktfolge des motorischen Prozesses einer Hubkolben- Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben- Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß der Gattung von Anspruch 1 sowie von einer Hubkolben- Brennkraftmaschine gemäß der Gattung von Anspruch 4.
  • Aus dem Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung bekannt, welche in bestimmten Drehzahl- und Lastbereichen im Magerbetrieb, d. h. mit einem Luftverhältnis λ größer als 1 betrieben werden. Dies gilt insbesondere für selbstzündende Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, welche über ein breites Drehzahlband mit großem Luftüberschuss gefahren werden können.
  • In der DE 196 31 799 A1 ist eine Hubkolben- Brennkraft-Maschine mit 6 Arbeitstakten und einer variablen Ventilsteuerung beschrieben, welche während einer Warmlaufphase mit 4 Takten betrieben wird und nach Erreichen der Betriebstemperatur in 6 Takten. Dabei ist die Taktzahl lediglich zwischen 4- und 6- Taktbetrieb variierbar, wobei ein Ausschieben der Verbrennungsprodukte aus dem Brennraum des Zylinders in jedem Fall während des 4. Taktes erfolgt. Der 5. Takt ist ein Arbeitstakt, zu dessen Beginn Wasser in den Zylinder eingespritzt wird, um im von der vorangehenden Verbrennung noch heißen Zylinder Wasserdampf zu erzeugen, dessen Dampfdruck den Kolben weiter bewegt. Der 6. Takt dient zum Ausschieben des Wasserdampfes.
  • Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist jedoch, dass die Anzahl der Takte der Brennkraftmaschine nur zwischen zwei Werten variiert werden kann. Die Verbrennungsprodukte werden spätestens während des 6. Taktes aus dem Zylinder ausgeschoben, gleich ob sie noch brennbare Anteile oder Restsauerstoff enthalten oder nicht. Dadurch kann ein Teil des im Zylinder noch verwertbaren Restsauerstoffs verloren gehen. Da mit jedem Ladungswechsel durch Ventilbewegungen und Strömungen Leistungsverluste auftreten, wirken sich verfrühte Ladungswechsel negativ auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass der Wirkungsgrad einer mit dem Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine erhöht wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 4 gelöst.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Restsauerstoff, welcher insbesondere bei Verbrennungsvorgängen mit Luftüberschuss nach einem ersten Arbeitstakt im Verbrennungsgas noch vorhanden ist, gezielt für weitere Arbeitstakte genutzt, ohne dass hierfür weitere Ladungswechsel notwendig wären, wodurch eine Senkung der Ladungswechselverluste erzielt wird. Ein Ausschieben des Verbrennungsgases sowie das Einbringen einer neuen Frischgasladung erfolgen erst, wenn der im Brennraum vorhandene Restsauerstoff durch wiederholte Arbeitstakte vollständig verbrannt ist. Die Anzahl der sich aneinander reihenden Arbeitstakte ist dabei variabel und hängt vom jeweiligen Sauerstoff- oder Luftanteil im Brennraum ab.
  • Bekanntlich entstehen bei der Magerverbrennung relativ hohe Stickoxid-Emissionen (NOx), welche durch Abgasreinigungsanlagen, wie beispielsweise DENOx- Katalysatoren in unschädliche Abgase gewandelt werden müssten. Mit der wiederholten Verbrennung und Expansion gemäß dem vorliegenden Verfahren können demgegenüber unerwünschte NOx-Anteile im Abgas durch die Reaktion des Stickoxid-Sauerstoffanteils mit dem neuerlich eingespritzten Kraftstoff ohne weitere Abgasnachbehandlung reduziert werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform findet das erfindungsgemäße Verfahren bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung Anwendung, welche mehrere in Zylindern linear geführte Hubkolben sowie Einlass- und Auslassventile beinhaltet. Der motorische Prozess läuft dann zumindest in Phasen, in welchen das Luftverhältnis λ größer als 1 ist, in einem Zyklus nach folgenden Schritten ab:
    Zunächst wird im Rahmen des Ansaugtaktes Frischluft in den Brennraum angesaugt, nachdem zuvor wenigstens ein Einlassventil geöffnet wurde. Anschließend findet im Laufe des Verdichtungstaktes das Verdichten der eingesaugten Frischluft statt. Das Einspritzen von Kraftstoff erfolgt vorzugsweise dann, wenn sich der Hubkolben im Bereich des oberen Totpunktes (OT) befindet, welchem sich die Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemischs und die anschließende Expansion anschließt.
  • Anstatt die Abgase daraufhin auszuschieben, bleibt das Auslassventil geschlossen, und mit dem sich nach oben bewegenden Hubkolben erfolgt ein neuerlicher Verdichtungstakt zur Verdichtung des Brenngases samt des unverbrannten Sauerstoffanteils. Zum Einspritzzeitpunkt im Bereich des OT wird wiederum Kraftstoff eingespritzt, welche im Rahmen eines neuerlichen Arbeitstaktes mit dem Restsauerstoff oder einem Teil von diesem verbrennt. Wenn das Luftverhältnis λ genügend groß ist, können sich noch weitere Arbeitstakte anschließen; bei einem Luftverhältnis von λ = 4 sind nach dem ersten Arbeitstakt theoretisch drei weitere Arbeitstakte möglich. Ein Ladungswechsel wird erst dann durch Öffnen des Einlassventils und des Auslassventils eingeleitet, wenn der Rest-Sauerstoff im Brennraum vollständig verbrannt ist bzw. wenn das im Brennraum vorhandene Luftverhältnis λ einen unteren Grenzwert λgrenz erreicht hat. Hierzu wird das im Brennraum vorhandene Luftverhältnis λ vorzugsweise nach jedem Arbeitstakt direkt oder indirekt gemessen, wozu eine entsprechende Sensoreinrichtung vorhanden ist.
  • Folglich kommt es gemäß des vorgestellten Verfahrens bei einem stationären Drehzahl- oder Lastpunkt der Kennlinie der Brennkraftmaschine abhängig vom momentanen Luftverhältnis λ zu einem zyklischen Wechsel zwischen dem üblichen 4-Taktverfahren (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Expandieren) und einem 2- Taktverfahren, welches durch Verdichten und Expandieren des Restsauerstoff enthaltenden Brenngases gekennzeichnet ist.
  • Die Menge des eingespritzten Kraftstoffs wird vorzugsweise jeweils in Abhängigkeit des momentan im Brennraum vorhandenen, unverbrannten Sauerstoffs dosiert. Da Anzahl und Art der Takte des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens variabel sind, muss eine variable Ventilsteuerung vorgesehen werden, beispielsweise eine elektromagnetische Ventilsteuerung mit selektiver Ventilabschaltung; möglich ist auch die Verwendung von elektro-hydraulischen Schalttassen. Zur variablen Ansteuerung der Ventile dient eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, welcher als Eingangsgröße das gemessene, momentane Luftverhältnis λ zugeführt wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung und Regelung der Taktzahl und Taktfolge des motorischen Prozesses einer Hubkolben- Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben- Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, wobei der motorische Prozess zumindest in Phasen, in welchen das Luftverhältnis λ größer als 1 ist, in einem Zyklus nach folgenden Schritten abläuft:
a) Ansaugen von Frischluft in einen Brennraum, nachdem zuvor wenigstens ein Einlassventil geöffnet wurde;
b) Verdichten der eingesaugten Frischluft;
c) Direkteinspritzen von Kraftstoff, Fremd- oder Selbstzünden des Kraftstoff-Luftgemischs und anschließende Expansion,
gekennzeichnet durch folgende, weitere Schritte:
a) Erneutes Verdichten der ganz oder teilweise verbrannten Ladung, welche vollständig im Brennraum verbleibt;
b) Einspritzen von Kraftstoff, Fremd- oder Selbstzünden der Ladung und anschließende Expansion;
c) Ausschieben der Ladung aus dem Brennraum, nachdem zuvor wenigstens ein Auslassventil geöffnet wurde, falls kein unverbrannter Sauerstoff mehr im Brennraum vorhanden ist oder falls das Luftverhältnis λ einen unteren Grenzwert λgrenz unterschritten hat, und solange dies nicht der Fall ist:
d) Weiteres Verdichten, Einspritzen, Zünden und anschließendes Expandieren gemäß den Schritten d) und e).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Brennraum vorhandene Luftverhältnis λ direkt oder indirekt gemessen wird und bei überstöchiometrischer Verbrennung der für eine Verbrennung noch nicht verwendete Restsauerstoff für weitere Arbeitstakte verwendet wird, wobei ein Ladungswechsel erst dann stattfindet, nachdem der im Brennraum vorhandene Restsauerstoff vollständig verbrannt ist oder das im Brennraum vorhandene Luftverhältnis λ einen unteren Grenzwert λgrenz unterschritten hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit des momentan im Brennraum vorhandenen, unverbrannten Sauerstoffs dosiert wird.
4. Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere Hubkolben- Brennkraft-Maschine mit Direkteinspritzung, beinhaltend eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung zur Steuerung der Taktzahl und Taktfolge des motorischen Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung den motorischen Prozess zumindest in den Phasen, in welchen das Luftverhältnis λ größer als 1 ist, derart steuert und/oder regelt, dass bei überstöchiometrischer Verbrennung der für eine Verbrennung noch nicht verwendete Restsauerstoff für weitere Arbeitstakte verwendbar ist und ein Ladungswechsel erst dann stattfindet, nachdem der im Brennraum vorhandene Rest- Sauerstoff vollständig verbrannt ist oder das im Brennraum vorhandene Luftverhältnis λ einen unteren Grenzwert λgrenz unterschritten hat.
5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung variabel ansteuerbare Einlass- und Auslassventile beinhaltet.
6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor vorhanden ist, durch welchen das Luftverhältnis λ im Brennraum direkt oder indirekt messbar ist.
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