DE19905636A1 - Verfahren zur Brennraum-Ladungstemperaturabsenkung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Absenkung der Brennraum-Ladungstemperatur vor Brennbeginn beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslaßventilen und optional mit einem Dekompressionsventil. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das Einlaßventil zur Erzielung einer Expansionsströmung während der Ansaugphase auf einen gegenüber seinem Maximalöffnungswert geringeren Öffnungswert eingestellt, bei Bedarf kombiniert mit einem frühzeitigen Schließen desselben noch vor Ende der Ansaugphase, oder zum Zurückschieben eines Teils der angesaugten Luftmasse in den Ansaugtrakt erst während der Kompressionsphase wieder geschlossen, oder das Auslaßventil oder ein Dekompressionsventil wird zur teilweisen Frischluftausblasung im Verlauf der Kompressionsphase während eines vorgebbaren Ausblaszeitraums geöffnet. DOLLAR A Verwendung z. B. beim Betrieb von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader, speziell im hohen Lastbereich, zwecks Stickoxidminderung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Absenkung der Brennraum-Ladungstemperatur vor Brennbeginn beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslaßventilen und optional mit einem Dekompressionsventil.

Derartige Verfahren sind insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Abgasturboladern bekannt, und zwar in Form einer Kühlung der vom Turbolader verdichteten Ladeluft mittels eines Ladeluftküh­ lers und/oder einer anderweitigen Kühleinrichtung, wie eines Klimaanlagen-Verdampfers, siehe die Offenlegungsschrift DE 36 20 754 A1.

Bei einem weiteren Ansaugluftkühlverfahren, wie es in der Offen­ legungsschrift DE 31 35 791 A1 beschrieben wird, wird der ge­ wünschte Abkühleffekt durch Kraftstoffeinspritzung in den An­ saugtrakt stromaufwärts des Turboladers bewirkt.

Eine weitere bekannte Technik zur Absenkung der Brennraum- Ladungstemperatur ist das sogenannte Miller-Verfahren, bei dem das Einlaßventil noch in der Ansaugphase um ein vorgebbares Maß vor dem Beginn der Kompressionsphase geschlossen wird, wodurch die in den Brennraum gelangende Luftmasse entspannt und dadurch abgekühlt wird, siehe die Zeitschriftenaufsätze in NTZ Motor­ technische Zeitschrift Bd. 31, 1970, S. 1 bis 10 und Bd. 38, 1977, S. 108 bis 112 sowie die Offenlegungsschrift EP 0 126 464 A1.

Die Absenkung der Ladelufttemperatur bewirkt im allgemeinen eine Erhöhung der Luftmasse ohne die Notwendigkeit der Anhebung des Ladedrucks mit der vorteilhaften Folge der Erhöhung des Verbren­ nungsluftverhältnisses bei verbesserten Partikelwerten. Die Er­ höhung des Verbrennungsluftverhältnisses führt zur Verbesserung des inneren Wirkungsgrades aufgrund des geringeren Wandwärme­ übergangs, kann wegen der sich bei gleichbleibendem Ladedruck ergebenden Dichtesteigerung aber auch zur Steigerung des Ver­ brennungsmitteldrucks (Erhöhung der Einspritzmenge) bei gleichem Verbrennungsmaximaldruck ohne Verbrauchsverschlechterung benutzt werden. Die Ladeluftkühlung verringert die thermische Belastung der Brennkraftmaschine und leistet zudem einen wesentlichen Bei­ trag zur Erfüllung der Schadstoffgrenzwerte, insbesondere hin­ sichtlich Stickoxidemission.

Es ist bekannt, daß die Bedingungen zu Beginn der Verbrennung im Brennraum von wesentlicher Bedeutung für die Stickoxidbildung sind. Insbesondere legt die Temperatur der Brennraumladungsmasse bei Einspritzbeginn das Temperaturausgangsniveau der Stickoxid­ bildung fest. Daher ist eine möglichst tiefe Brennraum-Ladungs­ temperatur, d. h. Temperatur der in den Brennraum eingeleiteten Luftmasse, am Ende der Kompressionsphase wünschenswert, ohne da­ bei wegen des ansonsten schlechteren Kaltstartverhaltens und der Bildung von Weißrauch das Verdichtungsverhältnis verringern zu müssen.

Speziell auch bei Fahrzeuganwendungen ist die Leistungsfähigkeit der verwendbaren Ladeluftkühler durch den Einbauraum und die Tatsache begrenzt, daß die Temperatur der als Kühlmedium einge­ setzten Außenluft die theoretische untere Grenze der Ladeluft­ temperatur darstellt. Zur Reduzierung der Stickoxidemissionen und gleichzeitigen Erzielung von Verbrauchsverbesserungen ohne die Notwendigkeit der Anwendung von häufig wirkungsgradverrin­ gernden und partikelerhöhenden Maßnahmen wie Einspritzbeginn- Spätverstellung und Abgasrückführung ist jedoch eine Absenkung der Ladelufttemperatur merklich unter 40°C auf z. B. nahezu 0°C wünschenswert.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur effektiven Absenkung der Brennraum-Ladungs­ temperatur mit relativ geringem Aufwand zugrunde.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfah­ ren wird eine Absenkung der Brennraum-Ladungstemperatur vor Be­ ginn der Verbrennung dadurch erreicht, daß durch ein nur teil­ weises Öffnen des Einlaßventils bis zu einer seinen Ventilein­ laßkanal nicht maximal, sondern nur teilweise freigebenden Stellung eine Expansionsströmung der in den Brennraum eingelei­ teten Luftmasse und folglich eine Abkühlung derselben bewirkt wird oder daß durch verspätetes Schließen des Einlaßventils erst während der anschließenden Kompressionsphase ein Teil der zuvor in den Brennraum geleiteten Luftmasse wieder in den Ansaugtrakt zurückgeschoben wird, so daß auch in diesem Fall das wirksame Verdichtungsverhältnis gegenüber dem Expansionsverhältnis redu­ ziert wird, oder daß das Auslaßventil oder ein gegebenenfalls vorhandenes Dekompressionsventil, wie es speziell bei Nutzfahr­ zeugmotoren als Bremsventil verwendet wird, zur teilweisen Frischluftausblasung im Verlauf der Kompressionsphase während eines vorgebbaren Ausblaszeitraums geöffnet wird, was wiederum zur Reduzierung des Kompressionsverhältnisses führt. In allen diesen Alternativen bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren mit relativ geringem Aufwand eine wirksame Absenkung der Brennraum- Ladungstemperatur vor Brennbeginn. Das Verfahren läßt sich ins­ besondere für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit Ab­ gasturbolader anwenden, speziell im hohen Lastbereich.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird das nur begrenzte Öffnen des Einlaßventils auf einen gegenüber dem Maximalöffnungswert geringeren Öffnungswert mit einem verfrühten Schließen desselben noch in der Ansaugphase kombiniert, was die Saugwirkung weiter erhöht.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Ventilhub-Kurbelwinkel-Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Brennraum-Ladungstemperaturabsenkung durch nur teilweises Öffnen des Einlaßventils,

Fig. 2 ein Ventilhub-Kurbelwinkel-Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Brennraum-Ladungstemperaturabsenkung durch Schließen des Einlaßventils erst während der Kom­ pressionsphase und

Fig. 3 ein Ventilhub-Kurbelwinkel-Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Brennraum-Ladungstemperaturabsenkung durch Öffnen des Auslaß- oder eines Dekompressionsventils während der Kompressionsphase.

In den Fig. 1 bis 3 sind anhand eines jeweiligen Ventilhub- Kurbelwinkel-Diagramms verschiedene Realisierungen eines Verfah­ rens zur Absenkung der Brennraum-Ladungstemperatur vor Brennbe­ ginn beim Betrieb einer Brennkraftmaschine veranschaulicht. Die Brennkraftmaschine ist dabei von irgendeiner herkömmlichen Bau­ art, vorzugsweise mit Abgasturbolader, und kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet sein. Jedem der meist mehreren Brennräume der Brennkraftmaschine ist wenigstens je ein Einlaß- und Auslaßventil zum Einleiten der für den nächsten Verbren­ nungsvorgang benötigten Luftmasse bzw. zum Ausschieben der durch die Verbrennung erzeugten Verbrennungsgase zugeordnet. Speziell im Fall von Nutzfahrzeugen kann zudem in üblicher Weise ein nor­ malerweise als Bremsventil fungierendes Dekompressionsventil vorgesehen sein. Für die gezeigten Beispiele ist eine Viertakt- Brennkraftmaschine angenommen, die veranschaulichten Verfahren zur Brennraum-Ladungstemperaturabsenkung können jedoch auch bei Brennkraftmaschinen mit anderer Taktzahl angewandt werden.

In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils schematisch ein Brennraum- Arbeitsspiel der Viertakt-Brennkraftmaschine gezeigt, das auf­ einanderfolgend aus einer vom unteren Totpunkt (UT) bis zum obe­ ren Totpunkt (OT) des Kurbelwinkels andauernden Ausschiebephase, einer anschließenden, vom oberen Totpunkt (OT) bis zum unteren Totpunkt (UT) des Kurbelwinkels andauernden Ansaugphase, einer darauffolgenden, vom unteren Totpunkt (UT) bis zum oberen Tot­ punkt (OT) andauernden Kompressionsphase und einer nachfolgen­ den, vom oberen (OT) bis zum unteren Totpunkt (UT) andauernden Verbrennungs- und Expansionsphase besteht. Während der Ausschie­ bephase wird in üblicher Weise das Auslaßventil geöffnet, wie schematisch anhand eines typischen Auslaßventilhubverlaufs 1 dargestellt. Charakteristisch für die verschiedenen gezeigten Varianten des Verfahrens zur Absenkung der Brennraum-Ladungs­ temperatur ist nun speziell die Steuerung des Einlaß- oder Aus­ laßventils während der Ansaug- und der Kompressionsphase.

Beim Verfahrensbeispiel von Fig. 1 wird der Ventilhub des Ein­ laßventils gemäß einer schematisch gezeigten Kennlinie 2 nur teilweise geöffnet, d. h. nur bis zu einem Öffnungshub H_R, der kleiner als der voll öffnende, maximale Ventilhub H_M ist, bis zu dem das Einlaßventil im Fall eines zu Vergleichszwecken gestri­ chelt wiedergegebenen normalen Einlaßventilhubverlaufs 3 geöff­ net wird, der symmetrisch zum ebenfalls voll öffnenden Auslaß­ ventilhubverlauf 1 ist. Durch dieses nur teilweise Öffnen des Einlaßventils auf den reduzierten Öffnungswert H_R wird die Luft­ masse für den nächsten Verbrennungsvorgang in Form einer Expan­ sionsströmung in den Brennraum geleitet, bei der das Einlaßven­ til als Entspannungsdüse fungiert. Das Einlaßventil ist zur Er­ füllung dieser Entspannungsdüsenfunktion in einer herkömmlichen Weise geeignet ausgelegt, insbesondere mit einem geeigneten me­ chanischen oder elektrohydraulischen Verstellsystem versehen, mit dem die Steuerzeiten und der Hubverlauf des Einlaßventils in der Ansaugphase variabel so eingestellt werden können, daß ein zur Kühlung der in den Brennraum eingeleiteten Luftmasse führen­ der Expansionseffekt in beliebiger, gewünschter Stärke erzeugt wird.

Der Brennbeginn des anschließenden Verbrennungsvorgangs findet folglich durch diese Art der Einlaßluftdrosselung auf entspre­ chend niedrigerem Anfangstemperaturniveau statt, wobei die An­ fangstemperatur insbesondere deutlich unterhalb von 40°C, vor­ zugsweise sogar bis nahe 0°C liegen kann. Die Lufteinlaßdrosse­ lung verringert den thermodynamisch wirksamen Kolbenhub im Ansaugtakt, wodurch sich der Liefergrad annähernd verlustfrei steuern läßt. Auf diese Weise läßt sich somit auch das wirksame Verdichtungsverhältnis auf einen gewünschten, vom Betriebszu­ stand der Brennkraftmaschine abhängig wählbaren Wert variabel steuern.

Mit dieser Vorgehensweise ist es bei Vorhandensein eines Ab­ gasturboladers möglich, einem zu hohen Ladedruck im höheren Drehzahl/Last-Bereich mit der Folge hoher Brennraumspitzendrücke und infolgedessen hoher Stickoxidbildungsrate entgegenzuwirken Ein zu diesem Zweck herkömmlicherweise vorgesehenes sogenanntes Wastegate-Ventil, das Einbußen im Ausnutzungsgrad der Abgasener­ gie mit der Folge erhöhter Gaswechselarbeit und erhöhten Kraft­ stoffverbrauchs verursachen kann, kann entfallen. Der Grad der Einlaßtemperaturabsenkung wird vom Expansionsverhältnis am Ein­ laßventil, d. h. von der Stärke der Einlaßdrosselung, bestimmt. In Verbindung mit einem Aufladeverfahren, das einen hohen Aufla­ degrad besitzt, wie VTG, zweistufige Aufladung, Registerkonzep­ te, Comprex-Aufladung usw., und zudem eine Ladedruckregelung zu­ läßt, welche insbesondere die hierfür wichtigen Betriebspunkte durch einen erhöhten Ladedruck und damit ein hohes Expansions­ druckverhältnis begünstigt, ist auf diese Weise eine hohe Stick­ oxidminderung erzielbar. Das Konzept der Lufteinlaßdrosselung durch nur teilweise Öffnen des Einspritzventils auf einen steuer­ baren, reduzierten Öffnungswert ist besonders für den Einsatz bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Hochdruckeinspritzung mit weitgehend strahlinduzierter Gemischbildung geeignet, die keinen Einlaßdrall zur Verbrennungssteuerung benötigen und beispiels­ weise in Nutzfahrzeugen verwendet werden.

In einer Variante wird das nur teilweise Öffnen des Einlaßven­ tils in der Ansaugphase mit einem frühzeitigen Schließen dessel­ ben vor Erreichen des unteren Totpunktes UT kombiniert. Ein ent­ sprechender Einlaßventilhubverlauf ist in Fig. 1 als strichpunk­ tierte Kennlinie 4 gezeigt. Das Einlaßventil wird in diesem Beispiel bereits bei einem vor dem unteren Totpunkt UT liegenden Kurbelwinkelwert KW_R geschlossen, der ebenso wie der reduzierte Öffnungshubwert H_R je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschi­ ne, insbesondere abhängig von deren Drehzahl- und Lastzustand, variabel eingestellt werden kann. Durch das frühzeitige Schlie­ ßen des Einlaßventils wird während der restlichen Ansaugphase die in den Brennraum zuvor eingeleitete Luftmasse weiter ent­ spannt und damit abgekühlt. Im übrigen gelten für diese Variante ebenso wie für die nachfolgend beschriebenen, weiteren Verfah­ rensbeispiele der Fig. 2 und 3 die zum oben erläuterten Verfah­ rensbeispiel angegebenen Vorteile hinsichtlich Verringerung der Stickoxidemissionen durch Absenkung der Brennraum-Ladungstempe­ ratur entsprechend.

Bei dem in Fig. 2 illustrierten Verfahrensbeispiel wird nach konventioneller Steuerung des Auslaßventils in der Ausschiebe­ phase vom unteren Totpunkt UT bis zum oberen Totpunkt OT gemäß der schematisch gezeigten Auslaßventilhubkennlinie 1 das Einlaß­ ventil in der anschließenden Ansaugphase zunächst gemäß der her­ kömmlichen Einlaßventilhubkennlinie 3 geöffnet, dann jedoch zum Ende der Ansaugphase hin nicht wie üblich bis zum Erreichen des unteren Totpunktes UT geschlossen, sondern weiter offen gehalten und erst im Verlauf der nachfolgenden Kompressionsphase ge­ schlossen, wie schematisch durch eine zugehörige Einlaßventil­ hubkennlinie 5 wiedergegeben. Durch das während des anfänglichen Teils der Kompressionsphase noch offene Einlaßventil wird zuvor während der Ansaugphase in den Brennraum eingeleitete Luftmasse wieder in den Ansaugtrakt zurückgeschoben. Der Anteil an zurück­ geschobener Ansaugluft kann durch die variable Wahl des Einlaß­ ventil-Schließzeitpunktes zu einem zugehörigen Kurbelwinkelwert KWS nach dem unteren Totpunkt UT in jeweils gewünschter Weise eingestellt werden. Durch das teilweise Zurückschieben der zuvor vollständig angesaugten Luftmasse in den Ansaugtrakt wird das wirksame Verdichtungsverhältnis wie bei den oben beschriebenen Verfahrensbeispielen gegenüber dem Expansionsverhältnis entspre­ chend reduziert, was wiederum zur gewünschten Absenkung der Brennraum-Ladungstemperatur vor Brennbeginn führt, durch die sich die Stickoxidbildung vermindert.

Bei dem in Fig. 3 illustrierten Verfahrensbeispiel erfolgt zu­ nächst in der Ausschiebe- und in der Ansaugphase eine herkömmli­ che Ventilsteuerung durch Öffnen des Auslaßventils gemäß der herkömmlichen Auslaßventilhubkennlinie 1 während der Ausschiebe­ phase und durch vollständiges Öffnen des Einlaßventils während der Ansaugphase gemäß der herkömmlichen Einlaßventilhubkennlinie 3. Während der Kompressionsphase wird dann ein Teil der zuvor in den Brennraum eingeleiteten Luftmasse in den Abgastrakt ausge­ blasen. Dies kann durch kurzzeitiges, teilweises Öffnen des Aus­ laßventils oder alternativ eines Dekompressionsventils, wenn vorhanden, erfolgen. Je nach Anwendungsfall bieten sich hierfür unterschiedliche Alternativen an, von denen in Fig. 3 zwei Vari­ anten gezeigt sind in einer ersten Variante wird gemäß einer durchgezogen gezeichneten Öffnungshubkennlinie 6 das Auslaß- bzw. Dekompressionsventil in einem frühen Teil der Kompressi­ onsphase teilweise, d. h. bis auf einen variabel einstellbaren Öffnungshubwert H_A geöffnet, der kleiner als der maximale Öff­ nungshubwert H_M ist. In einer zweiten Variante wird das Auslaß- bzw. Dekompressionsventil während des späten Teils der Kompres­ sionsphase gemäß einer gestrichelt gezeigten Öffnungshubkennli­ nie 7 teilweise geöffnet.

Es versteht sich, daß der Öffnungszeitraum und der Grad an Öff­ nung des Auslaß- bzw. Dekompressionsventils innerhalb der Kom­ pressionsphase je nach Brennkraftmaschine und deren Betriebszu­ stand variabel festgelegt werden können. Durch das kurzzeitige Öffnen des Auslaß- bzw. Dekompressionsventils wird ein Teil der schon mehr oder weniger komprimierten Frischladungs-Luftmasse vor der Verbrennungs- und Expansionsphase und damit vor Brennbe­ ginn in den Auslaßtrakt ausgeschoben, so daß wiederum ein zur Abkühlung führender Expansionseffekt auftritt, durch den die Brennraum-Ladungstemperatur gesenkt und dadurch die Stickoxid­ bildung vermindert wird.

Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Verfahrensbeispiele auch in geeignet kombinierter Form angewendet werden können, um die gewünschte Absenkung der Brennraum-Ladungstemperatur vor Brennbeginn durch den Luftmassen-Entspannungseffekt zu bewirken.

Claims (2)

1. Verfahren zur Absenkung der Brennraum-Ladungstemperatur vor Brennbeginn beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslaßventil und optional mit einem Dekompressionsventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil zur Erzielung einer Expansionsströmung während der Ansaugphase auf einen gegenüber seinem Maximalöffnungswert (H_M) geringeren Öffnungswert (H_R) eingestellt wird oder zum Zu­ rückschieben eines Teils des angesaugten Luftmasse in den An­ saugtrakt erst während der Kompressionsphase wieder geschlossen wird oder das Auslaßventil oder ein Dekompressionsventil zur teilweisen Frischluftausblasung im Verlauf der Kompressionsphase während eines vorgebbaren Ausblaszeitraums geöffnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil während der Ansaugphase auf einen gegenüber seinem Maximalöffnungswert (H_M) geringeren Öffnungswert (H_R) ein­ gestellt und noch vor Ende der Ansaugphase frühzeitig wieder ge­ schlossen wird.