DE69922677T2

DE69922677T2 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine sowie brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69922677T2
Application number: DE69922677T
Authority: DE
Inventors: Eric Olofsson
Original assignee: Saab Automobile AB
Current assignee: Saab Automobile AB
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2019-10-05
Also published as: SE521174C2; WO2000020745A1; JP4177961B2; EP1119694A1; SE9803367D0; EP1119694B1; SE9803367L; DE69922677D1; US6438956B1; JP2002526713A

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ferner einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 (Siehe EP-A-0 404 114).
Stand der Technik
Bei einem konventionellen Turbomotor, d.h. einem aufgeladenen Motor, mit einem geometrischen Kompressionsverhältnis, das hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs akzeptabel ist, ist es bei hoher Last immer erforderlich, die Zündung auf einen relativ späten Zeitpunkt einzustellen, um ein Klopfen zu vermeiden. Dies bedeutet, dass das effektive Expansionsverhältnis abnimmt und dass weniger Arbeit aus dem Verbrennungsgas gewonnen werden kann. Darüber hinaus ergibt sich bei hoher Motordrehzahl eine hohe Abgastemperatur.
Außerdem wird dann, wenn der Turbomotor zur Verbesserung des Drehmoments und des Ansprechverhaltens bei niedrigen Motordrehzahlen eine relativ kleine Turbine aufweist, infolge des verringerten Massenstroms durch die Turbine eine weiter erhöhte Abgastemperatur erhalten. Das übliche Verfahren zur Verringerung der Abgastemperatur besteht darin, den Motor bei hohen Motordrehzahlen mit einem extrem fetten Gemisch (mit einem Luft/Treibstoff-Verhältnis in der Größenordnung von 11:1) zu betreiben.
Dies führt dazu, dass der Temperaturanstieg während der Verbrennung verringert wird, was zu kühleren Abgasen führt. Gleichzeitig kommt es jedoch zu einem starken Anstieg der Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid. Die Umsetzung im Katalysator ist infolge eines Mangels an Sauerstoff in den Abgasen unzureichend.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Treibstoffverbrauch um ungefähr 30 % zunimmt.
Ein Vorteil besteht jedoch darin, dass die Menge an Stickoxiden im Vergleich zu einem stöchiometrischen Gemisch sinkt.
Ein Übergang zu einem stöchiometrischen Betrieb würde die Situation bezüglich der Emissionen verbessern, würde jedoch andererseits eine Leistungsabnahme in der Größenordnung von 25 % infolge der Notwendigkeit verursachen, die Zündung auf einen früheren Zeitpunkt einzustellen, um den sonst auftretenden Anstieg der Abgastemperatur zu begrenzen. Eine auf einen früheren Zeitpunkt eingestellte Zündung führt jedoch zu einem stark erhöhten Maximaldruck im Zylinder mit dem damit einhergehenden Klopfrisiko. Dies wiederum erfordert eine beträchtliche Verringerung des Ladedrucks. Insgesamt würde dies bei Turbomotoren zu großen Problemen führen.
Aufgabe der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Eigenschaften eines Turbomotors insbesondere bei hoher Last zu verbessern. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine kosteneffektive Lösung bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Das Ziel der Erfindung wird einerseits durch den Einsatz eines Betriebsverfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und andererseits durch eine Ausführungsform des Motors mit den im Patentanspruch 3 enthaltenen Merkmalen erreicht.
Indem es ermöglicht wird, den Motor im Aufladebetrieb und bei hoher Last mit einem mageren Gemisch zu betreiben, ist es möglich, die früher üblichen hohen Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid während des Betriebs eines Turbomotors bei hoher Last in einem signifikanten Ausmaß zu verringern. Darüber hinaus wird ein geringerer Treibstoffverbrauch erzielt.
Das magere Gemisch wird durch eine Erhöhung des Ladedrucks unter Beibehaltung der Treibstoffmenge erreicht. Der Betrieb und der Motor sind besonders vorteilhaft, wenn die eine geteilte Abgasperiode benutzende Technik verwendet wird, um einen effizienten Betrieb der Turbine sowie eine effiziente Entleerung des Zylinders während des Ausstoßtaktes zu erhalten.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf in der beigefügten Zeichnung gezeigte beispielhafte Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
Beschreibung der Figuren
In der Zeichnung zeigt
1 einen mit einem Turbokompressor ausgestatteten erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, und
2 einen Motor ähnlich dem in 1 dargestellten, aber in einer Ausführungsform für eine geteilte Abgasperiode.
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor 1 vom Otto-Typ. In diesem Fall weisen die Zylinder des Motors jeweils zwei Abgasventile 2 und 3 auf, durch die Abgase zu einem den Zylindern gemeinsamen Abgaskrümmer 6 abgeführt werden. Der Abgaskrümmer ist über eine erste Abgasleitung 11 mit einer Abgasturbine 14 verbunden, die einen Kompressor 15 zum Aufladen des Motors antreibt. Die Ladeluft wird in diesem Fall in einem Ladeluftkühler 16 gekühlt, bevor sie dem Motor in einer nicht genauer gezeigten Weise zugeführt wird. Stromabwärts der Abgasturbine 14 befinden sich ein Katalysator 10 sowie einer oder mehrere Schalldämpfer (nicht gezeigt).
Der in 2 gezeigte Motor 1 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Motor dahingehend, dass das Abgassystem anders beschaffen ist. In diesem Fall ist ein erstes Abgasventil 2 in jedem Zylinder mit einem ersten Abgaskrümmer 4 verbunden und ein zweites Abgasventil 3 in jedem Zylinder ist mit einem zweiten Abgaskrümmer 5 verbunden. Nur der erste Abgaskrümmer 4 führt zu der Abgasturbine 14, während der zweite Abgaskrümmer 5 über eine zweite Abgasleitung 12 stromabwärts der Abgasturbine 14 vor dem Katalysator 10 mündet. Die Abgasventile 2 und 3 haben unterschiedliche Öffnungszeiten, so dass der erste starke Teil eines jeden Abgaspulses der Abgasturbine 14 zugeführt wird, während der verbleibende schwache Teil eines jeden Abgaspulses an der Abgasturbine 14 vorbeigeführt wird. Dies ermöglicht es, die Zylinder besser zu entleeren und zu laden und stellt auf diese Art und Weise einen effizienteren Motor bereit. Das Prinzip einer geteilten Abgasperiode ist aus der GB 2 158 286 bekannt.
Erfindungsgemäß wird der Motor in einer derartigen Art und Weise betrieben, dass bei hoher Last anstelle des früher üblichen fetten Gemischs ein mageres Gemisch erzeugt wird. Mittels des Kompressors 15 wird eine solche Aufladung erzeugt, dass ein Luft/Treibstoff-Verhältnis von mindestens 19:1, geeigneterweise 20:1 erreicht wird.
Indem die Treibstoffmenge konstant auf einem Niveau gehalten wird, das einer stöchiometrischen Verbrennung bei normalem Ladedruck entspricht, steigt das Luft/Treibstoff-Verhältnis mit der gleichen Rate wie der Ladedruck. Das magere Gemisch führt dazu, dass die Klopfneigung nicht mit dem Ladedruck zunimmt.
Es wurde gezeigt, dass die Zunahme des Maximaldrucks im Zylinder relativ zum Ladedruck verglichen mit einer Situation, in der das Luft/Treibstoff-Verhältnis konstant gehalten wird, während der Ladedruck zunimmt, nur ungefähr 1/3 beträgt.
Wenn sich die Betriebssituation eines Fahrzeugs ändert, d.h. in Übergangszuständen des Motors, ist es wünschenswert, einen stöchiometrischen Betrieb und einen normalen Ladedruck einzusetzen. In den Fällen, in denen die Last nach einem Übergang von einer geringeren Last hoch bleibt, ist es wünschenswert, den Ladedruck nach einigen Sekunden plötzlich zu erhöhen, so dass das Luft/Treibstoff-Verhältnis von dem stöchiometrischen Verhältnis 14,6:1 rasch auf ungefähr 20:1 verändert wird. Die Treibstoffmenge wird während dieses Druckstadiums konstant gehalten oder etwas reduziert, was dazu führt, dass das Drehmoment nicht beeinflusst wird.
Der Zweck dieses Druckanstiegs besteht darin, einen Betrieb bei einem Luft/Treibstoff-Verhältnis im Bereich von ungefähr 15 – 18:1 zu vermeiden, bei dem der Gehalt an Stickoxiden hoch ist.
Wie erwähnt, erfordert der Einsatz eines mageren Gemischs bei hoher Last (Vollgas) einen erhöhten Ladedruck, um die Leistung beizubehalten. Dies kann zu einer Zunahme in dem negativen Niedrigdruckzyklus in Verbindung mit der Abgasabfuhr von dem Motor führen, was die Möglichkeit der Aufrechterhaltung der Leistung gefährden kann.
Darüber hinaus besteht ein Risiko, dass ein mageres Gemisch bei hoher Last zu übermäßigen Variationen von Zyklus zu Zyklus führen kann. Diese Probleme werden durch den Einsatz des Prinzips der geteilten Abgasperiode gemäß 2 verringert.
Aufgrund der Tatsache, dass sich die Abgasventile in jedem Zylinder unterschiedlich öffnen und schließen, kann der erste starke Teil eines Abgaspulses über die Abgasturbine geführt werden, während der verbleibende schwächere Abgaspuls an der Abgasturbine vorbeigeführt werden kann. Dies ermöglicht es, die Zylinder besser zu entleeren, so dass Restgase nahezu vollständig beseitigt werden, was die Klopfneigung in der nächsten Phase in starkem Maße verringert. Dies ermöglicht es wiederum, einen günstigeren Zündzeitpunkt zu wählen.
Der Betrieb mit einem mageren Gemisch ermöglicht einen stark verringerten Treibstoffverbrauch in dem Last/Motordrehzahlbereich oberhalb von 1500 kPa eines angezeigten effektiven mittleren Drucks/3500 Upm und verringert die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid in den Abgasen um mindestens eine Größenordnung in diesem Last/Motordrehzahlbereich. In Verbindung mit dem Prinzip der geteilten Abgasperiode wird ein Treibstoffeinsparungspotential von mindestens ungefähr 30 % bei hoher Last erreicht.
Wie erwähnt, sollte das Treibstoff/Luft-Verhältnis in dem mageren Gemisch mindestens ungefähr 19:1 betragen, kann aber vorteilhafterweise 20:1 sein. Wenn es angebracht ist, kann das Gemisch in Abhängigkeit der Stabilität des Verbrennungssystems sogar noch magerer gemacht werden.
Der so in die Abgase eingebrachte zusätzliche Sauerstoff hat verschiedene Erfordernisse bezüglich des Katalysators und der Emissionssteuerung zur Folge, führt aber darüber hinaus zu dem Vorteil, dass die Menge an Ruß in den Abgasen verringert werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Otto-Verbrennungsmotors, bei dem Abgase zum Antreiben eines Turbokompressors (14, 15) zum Aufladen des Motors verwendet werden, wobei der Motor bei hoher Last im Aufladebetrieb mit einem mageren Gemisch betrieben wird und die Treibstoffmenge auf einem Niveau gehalten wird, das stöchiometrischen Bedingungen bei normalem Ladedruck entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck beim Übergang zu einem mageren Gemisch in einer einzigen Stufe erhöht wird, während die Treibstoffmenge beibehalten wird, so dass somit das Luft/Treibstoff-Verhältnis in einer Stufe von stochiometrischen Bedingungen bei normalem Ladedruck auf mindestens 19:1 ansteigt, und dass der Betrieb des Turbokompressors (14, 15) durch eine geteilte Abgasabfuhr (4, 5) bewirkt wird, bei der ein erster Teil eines Abgaspulses zur Turbine (14) des Turbokompressors geführt wird, während ein nachfolgender Teil des gleichen Abgaspulses an der Turbine des Turbokompressors vorbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Treibstoff-Verhältnis vorzugsweise 20:1 beträgt.
Otto-Verbrennungsmotor, der mit einem abgasgetriebenen Turbokompressor (14, 15) zum Aufladen des Motors versehen ist und der dazu eingerichtet ist, bei hoher Motorlast im Aufladebetrieb mit einem mageren Gemisch betrieben zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbokompressor (14, 15) dazu eingerichtet ist, bei hoher Motorlast den Ladedruck unter Beibehaltung der Treibstoffmenge in einem einzigen Schritt zu erhöhen, so dass das Luft/Treibstoff-Verhältnis von stöchiometrischen Bedingungen bei normalem Ladedruck auf mindestens 19:1 erhöht wird, und dass mindestens zwei Abgasventile (2, 3) pro Zylinder vorhanden sind, wobei mindestens ein Abgasventil (2) in jedem Zylinder mit einem ersten Abgaskrümmer (4) verbunden ist und ein zweites Abgasventil (3) mit einem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist, wobei der erste Abgaskrümmer (4) mit dem Einlass an der abgasgetriebenen Turbine (14) verbunden ist, um der letztgenannten einen ersten Teil eines Abgaspulses zuzuführen, und wobei der zweite Abgaskrümmer (5) stromabwärts der Turbine mündet, um einen nachfolgenden Teil des Abgaspulses an der Turbine vorbeizuführen.