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DE102006041467A1 - Regelungskonzepte in Ottomotoren mit homogenkompressionsgezündeter Verbrennung - Google Patents

Regelungskonzepte in Ottomotoren mit homogenkompressionsgezündeter Verbrennung Download PDF

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DE102006041467A1
DE102006041467A1 DE102006041467A DE102006041467A DE102006041467A1 DE 102006041467 A1 DE102006041467 A1 DE 102006041467A1 DE 102006041467 A DE102006041467 A DE 102006041467A DE 102006041467 A DE102006041467 A DE 102006041467A DE 102006041467 A1 DE102006041467 A1 DE 102006041467A1
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combustion
ignition
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fuel
self
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DE102006041467A
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English (en)
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Hans-Otto Dr. Herrmann
Rüdiger Dr. Ing. Herweg
Günter Dr. Karl
Matthias Dipl.-Ing. Pfau
Mayk Dipl.-Ing. Stelter
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, bei der ein Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum chemisch umsetzbar ist. DOLLAR A Es werden Regelungskonzepte und Potenziale für Ottomotoren mit homogener Selbstzündung anhand eines am Vollmotor realisierten Brennverfahrens mit Selbstzündung diskutiert. Problematisch erweist sich dabei die Steuerung der mit der homogenen Verbrennung einhergehenden Selbstzündung, da kein direkter Parameter zur Einleitung der Verbrennung existiert, wie z. B. der durch den Zündfunken eingeleitete Zündzeitpunkt bei konventionellen Ottomotoren, oder der Einspritzbeginn bei Dieselmotoren. Die Steuerung und Regelung der Wärmefreisetzung ist hierbei eine der zentralen Entwicklungsaufgaben. Darüber hinaus werden Verbrauchs- und Emissionsaussagen für einen Fahrzyklus getroffen.

Description

  • Die Erfindung betrifft Regelungskonzepte insbesondere in Ottomotoren mit homogen-kompressionsgezündeter Verbrennung.
  • Die CO2-Diskussion macht die weitere Verbrauchssenkung zum zentralen Forschungs- und Entwicklungsthema beim Ottomotor. Mögliche Konzepte zur Verbrauchsverbesserung sind die Direkteinspritzung, das Downsizing, die Reduktion der Ladungswechselverluste, die homogene Selbstzündung oder auch mögliche Kombinationen der oben genannten Verfahren. Die Vorteile der homogenen Selbstzündung in Ottomotoren liegen dabei neben der bereits erwähnten Verbrauchsverbesserung in der gleichzeitigen Beibehaltung des Emissionsverhaltens konventioneller Ottomotoren.
  • In dieser Schutzrechtsanmeldung werden Regelungskonzepte und Potenziale für Ottomotoren mit homogener Selbstzündung anhand eines am Vollmotor realisierten Brennverfahrens mit Selbstzündung diskutiert. Problematisch erweist sich dabei die Steuerung der mit der homogenen Verbrennung einhergehenden Selbstzündung, da kein direkter Parameter zur Einleitung der Verbrennung existiert, wie z.B. der durch den Zündfunken eingeleitete Zündzeitpunkt bei konventionellen Ottomotoren, oder der Einspritzbeginn bei Dieselmotoren. Die Steuerung und Regelung der Wärmefreisetzung ist hierbei eine der zentralen Entwicklungsaufgaben. Darüber hinaus werden Verbrauchs- und Emissionsaussagen für einen Fahrzyklus getroffen.
  • 1. Einführung
  • Die Verringerung der Ladungswechselverluste sowie die Verbesserung der Stoffeigenschaften durch Ladungsverdünnung bilden auch bei ottomotorischen Selbstzündungsverfahren den Hebel zur Verbrauchsabsenkung. Dieser Ansatz wird schon länger bei konventionellen Ottomotoren angewendet, scheitert aber für gewöhnlich an der begrenzten Verträglichkeit der Flammenfrontverbrennung bei Ladungsverdünnung, sei es durch Luft (Abmagern) oder durch Restgas (externe oder interne AGR).
    •
  • 1 zeigt den indizierten Kraftstoffverbrauch und die Kohlenwasserstoff- und Stickoxidrohemission von konventioneller ottomotorischer Verbrennung und Raumzündverbrennung in Abhängigkeit von der Restgasmasse.
  • Während bei konventionellem Betrieb die Entdrosselung über Abgasrückführung nur bis zu einer bestimmten Laufgrenze in eine Verbrauchsverbesserung umgesetzt werden kann, ergeben sich für kontrollierte Selbstzündung weit jenseits dieser Laufgrenze immer noch Verbrauchsverbesserungen. Die kontrollierte Selbstzündung kann nach 1 auch als konsequente Erhöhung der Restgasverträglichkeit des Ottomotors angesehen werden. Weit jenseits der für stabilen ottomotorischen Betrieb zulässigen Restgasraten liegt der Bereich, in dem aufgrund der hohen Temperaturen des Restgas-Luft-Gemischs Selbstzündung auftritt. Dies führt zu einer weiteren Möglichkeit zur Verbrauchsabsenkung. Aufgrund der Ladungsverdünnung durch Restgas und da die Umsetzung nicht mehr konzentriert in einer Flammenfront, sondern gleichzeitig in großen Bereichen des Brennraumes stattfindet, bleiben die Temperaturen trotz schneller Umsetzung unterhalb der kritischen NOx-Bildungstemperatur. Die Stickoxidrohemission liegen aufgrund der hohen Ladungsverdünnung weit unterhalb der ottomotorischen Werte, die Kohlenwasserstoffemissionen etwa auf demselben Niveau.
  • 2 zeigt das Eigenleuchten bei ottomotorischer Verbrennung, die durch eine Flammenfrontausbreitung gekennzeichnet ist, und bei homogener, kontrollierter Selbstzündung, bei der eine Wärmefreisetzung im gesamten Brennraum stattfindet. Dabei ist die Helligkeit ein indirektes Maß für die auftretenden Temperaturen.
  • Die Selbstzündung mit homogener Verbrennung ist charakterisiert durch eine im Vergleich zum Ottomotor hohe Wärmefreisetzungsrate und kurze Brenndauer (siehe 3). Die Temperatur der verbrannten Zone liegt deutlich unterhalb ottomotorischer Werte.
  • Aus der schnellen Wärmefreisetzung und der Abhängigkeit von der Kompressionsendtemperatur ergeben sich auch die Grenzen für den Einsatz der kontrollierten Selbstzündung. Die kontrollierte homogene Selbstzündung kann in einem Last- und Drehzahlbereich betrieben werden, der in etwa dem Schichtbetrieb eines heutigen direkteinspritzenden Ottomotors entspricht (4).
  • Dabei ist der Kennfeldbereich in Richtung niedriger Last durch verschleppte Verbrennungen und mögliche Aussetzer begrenzt. Hin zu hohen Lasten nehmen die Druckanstiege zu, und mit weiter steigender Last tritt klopfende Verbrennung auf. Zugleich steigen die NOx-Emissionen. Ein Betriebsartenwechsel zu einem volllasttauglichen Brennverfahren wird damit für Fahrzeuganwendungen notwendig.
  • Um einen möglichst großen Kennfeldbereich abdecken zu können, ist darüber hinaus zwingend eine Regelung des Verbrennungsbeginns und der Wärmefreisetzung notwendig. Dies kann über die Gemischreaktionsfähigkeit und die Gemischtemperatur erreicht werden. Die Einflussparameter auf diese beiden Größen sind in Tab. 1 dargestellt. Tab. 1: Klassifikation der Steuerungsparameter für eine Selbstzündung
    Gemischreaktionsfähigkeit Gemischtemperatur
    – Kraftstoff – Ladungstemperatur
    – Abgasrückführung – Abgasrückführung
    – Sauerstoffüberschuss – Aufladung
    – Einspritzzeitpunkt
    – Verdichtungsverhältnis
    – variabler Ventiltrieb
  • Die für den Einsatz an seriennahen Motoren sinnvollste Variante zum Erreichen von Selbstzündung ist die Erhöhung der Gemischtemperatur mit Hilfe von Variabilitäten im Ventiltrieb. Dafür gibt es je nach Grad der Variabilität (von vollvariabel bei EMVS/EHVS bis zu zweistufiger Ventilhubumschaltung) unterschiedliche Abgasrückhalteverfahren (5) [1].
  • Variante 1 (5, linkes Bild) zeigt das Rücksaugen von Abgas aus dem Auslasskanal während des Ansaugtakts. Das Einlassventil wird entsprechend spät geöffnet. Eine Steuerung der Verbrennung über den Einspritzzeitpunkt bei Anwendung von Direkteinspritzung ist nur bedingt möglich, weil sich die Wirkung nur auf die Änderung der Homogenität der Zylinderladung (homogeneres Gemisch bei Einspritzung während des Saughubs und heterogene Verteilung bei Einspritzung in der Kompression) beschränkt. Der Einfluss ist jedoch als relativ gering einzustufen und kann bei schlechter Homogenisierung zudem negative Auswirkungen auf das Emissionsverhalten haben. Deshalb erfordert dieses Verfahren aufgrund der Forderung nach zylinderindividuell einstellbaren Restgasgehalten eine zylinderindividuelle Anpassung der Steuerzeiten, also einen vollvariablen Ventiltrieb.
  • Variante 2 (5, mittleres Bild) wird in [2] beschrieben. Zunächst wird auch hier das Abgas konventionell aus dem Zylinder ausgeschoben. Dann erfolgt das Ansaugen der Frischladung während einer kurzen Einlassphase bevor am Ende des Ansaugtaktes das Auslassventil ein zweites Mal geöffnet wird, um das zur Selbstzündung notwendige Restgas aus dem Auspuff zurückzusaugen. Wird auf das Rücklaugen von Abgas verzichtet, handelt es sich um eine einfache Entdrosselungsstrategie mit „frühem Einlass schließt". Dies bietet Vorteile beim Betriebsartenwechsel. Für die Steuerung des Selbstzündungszeitpunkts gilt dasselbe wie für Variante 1. Der bauliche Mehraufwand umfasst neben einer einlassseitigen Ventilhubumschaltung ein zylinderindividuell ansteuerbares Element um das Auslassventil am Ende des Ansaugtaktes erneut öffnen zu können.
  • Die dritte Variante (5, rechtes Bild) sieht vor, das Abgas direkt im Zylinder zurückzuhalten. Dazu wird das Auslassventil bereits weit vor Erreichen des Gaswechsel-OTs geschlossen und das Einlassventil entsprechend später geöffnet. Hierzu ist einlass- sowie auslassseitig eine Ventilhubumschaltung notwendig. Die durch die beiden letztgenannten Verfahren der Abgasbereitstellung verursachten zusätzlichen Ladungswechsel- bzw. Wandwärmeverluste sind vergleichbar, gegenüber einer konventionellen Drosselregelung aber deutlich geringer ([2]).
  • Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Gemischtemperatur ist die Anwendung einer Voreinspritzung mit entsprechender Vorreaktion oder Vorverbrennung dieser Kraftstoffmenge. Dazu ist jedoch erforderlich, dass der Brennraum während der Vorverbrennung abgeschlossen ist und auch kein Kraftstoff in den Auslasstrakt entlassen wird. Dieses kann durch eine entsprechende Ventilunterschneidung mit anschließender Zwischenkompression wie bei Variante 3 (5, rechtes Bild) erzielt werden. Vor- und Nachteile der verschiedenen Varianten zeigt Tab. 2.
  • Tab. 2: Vorteile und Nachteile verschiedener Abgasrückführ- bzw. -rückhaltekonzepte
    Figure 00070001
  • 2. Die erfindungsgemäße Raumzündverbrennung (RZV)
  • Um die Selbstzündung von herkömmlichen Benzinkraftstoffen zu erreichen, sind Temperaturen von etwa 1000 K erforderlich. Bei den für Ottomotoren üblichen Verdichtungsverhältnissen (9 ... 13) muss die notwendige Temperatur also zusätzlich über Abgas des Vorzyklus bereitgestellt werden. Basis für die RZV-Untersuchungen ist ein serienmäßiger 4-Zylinder-Direkteinspritz-Motor mit wandgeführtem Brennverfahren, der entsprechend des angestrebten, mit RZV darstellbaren Kennfeldbereiches und der technischen Realisierbarkeit in einem fahrzeugtauglichen Motor für ein Konzept mit Ventilunterschneidung modifiziert wurde. Um sowohl ottomotorische Volllast, ottomotorischen Betrieb mit „frühem Einlass schließt" als auch RZV-Betrieb darstellen zu können, ist einlass- sowie auslassseitig eine über Schaltschlepphebel mit Öldruck betätigte Ventilhubumschaltung und ein erweiterter Nockenwellenstellbereich vorgesehen [3]. Weil die Nockenwellenphasenlage nur für alle vier Zylinder gleichzeitig geändert werden kann, entfällt die zylinderindividuelle Einstellung des Restgasgehaltes als Regel-, bzw. Steuergröße. Als zylinderindividuell einstellbarer Parameter bleibt damit nur die Direkteinspritzung (6). Durch eine Aufteilung der Kraftstoffmenge auf eine Einspritzung vor dem oberen Totpunkt des Gaswechsels und eine Einspritzung während der Ansaugphase kann die Selbstzündung kontrolliert werden. Der Verbrennungsschwerpunkt und der indizierte Mitteldruck für jeden Zylinder können optimal eingestellt werden, wenn Kraftstoff schon vor dem Gaswechsel-OT eingespritzt wird. Bei überstöchiometrischem Motorbetrieb enthalten das entstehende Verbrennungsgas und damit auch das im Zylinder zurückgehaltene Abgas immer auch Restluft bzw. Sauerstoff.
  • Dieser reagiert nun in Abhängigkeit von der Voreinspritzmenge schon in der sich durch die Unterschneidung ergebenden Zwischenkompression.
  • 7 zeigt die über die Restgasmasse errechnete Temperatur zum Zeitpunkt „Einlass öffnet" für verschiedene Voreinspritzanteile. Diese Temperaturdifferenz repräsentiert die in der Ventilunterschneidungsphase zugeführte Energie.
  • Das Temperaturniveau, welches in der Zwischenkompression erreicht wird, übersteigt die Selbstzündungsschwelle (≈1000 K) deutlich, was Grundvoraussetzung für eine Umsetzung ist. Folge der Umsetzung ist eine Erhöhung der Zylinderladungstemperatur um bis zu 130 K (etwa 10% Voreinspritzung) zum Zeitpunkt „Einlass öffnet". Bei der Raumzündverbrennung ist die am Ende der Kompression um ZOT erreichte Temperatur von grundlegender Bedeutung für das Auslösen der Verbrennung. Berücksichtigt man die Expansion nach dem Gaswechsel-OT, die Verdünnung der Zylinderladung durch die angesaugte Frischluft und die Kompression vor Zünd-OT, ergibt sich für die Temperatur bei Kompressionsende (ZOT) eine Differenz von über 60 K zwischen Betrieb ohne und mit 10% Voreinspritzung. Mit einem variablen Voreinspritzanteil von 0 ... 10% lassen sich also Temperaturunterschiede von 60 K am Ende der Kompression ausgleichen. Somit eignet sich die Aufteilung der Einspritzmenge auf Vor- und Haupteinspritzmenge zur kontrollierten Steuerung der Selbstzündung.
  • 3. Verbrennungsregler
  • Warum eine einfache Verbrennungssteuerung bei kontrollierter Selbstzündung nicht mehr zureichend ist, zeigt 8. Zwar erweist sich der Verbrauch als relativ robust gegenüber Änderungen in der Verbrennungslage, die Schadstoffemission hingegen reagiert äußerst sensibel. Gerade die Stickoxidemission (die bei magerem Betrieb nicht reduziert werden kann) erhöht sich bei zu früher Verbrennungslage drastisch, da die maximale Prozesstemperatur stark ansteigt.
  • Das Reglerkonzept für den RZV-Vollmotor ist entsprechend 9 mindestens zusammengesetzt aus:
    • – λ-Regler
    • – Regler für Verbrennungslage
    • – Regler für den indizierten Mitteldruck
  • Regelgröße für den λ-Regler bildet der Messwert einer λ-Sonde, Stellgröße ist die Nockenwellenphase der Auslassnockenwelle, d.h. der Restgasgehalt im Zylinder. Bei ungedrosseltem Betrieb bedeutet weniger Restgas im Zylinder mehr Frischluft und verursacht damit ein magereres Luft-Kraftstoff-Gemisch. Um die bei Einsatz der Voreinspritzung gewünschte Umsetzung in der Zwischenkompression um GOT zu ermöglichen, ist es notwendig, dass sich ausreichend unverbrannte Luft (Sauerstoff) im Abgas befindet.
  • Der 50%-Umsatzpunkt des Heizverlaufs bildet Eingangsgröße für den Verbrennungsregler, der die Bestimmung und Korrektur der Verbrennungslage ermöglicht. Bei zu später Lage des 50%-Umsatzpunktes wird die Voreinspritzdauer erhöht, umgekehrt wird die Voreinspritzdauer bei zu früher Lage verringert.
  • Der indizierte Mitteldruck ist die Regelgröße für die Last. Stellausgang ist die Haupteinspritzdauer. Bei geringer Streuung des Injektordurchflusses der einzelnen Injektoren am Vollmotor und einem entsprechenden Einspritzmodell kann auf diesen Regler verzichtet werden. Eine Abschätzung des indizierten Mitteldrucks mit Hilfe von einem in der Kompression und einem in der Expansion abgetasteten Druckwert stellt sich aufgrund der je nach Umsetzung im Ladungswechsel-OT veränderlichen Ladungswechselarbeit als schwierig dar. Für eine präzise Ermittlung ist eine erhöhte Abtastrate und damit ein erhöhter Rechenaufwand nötig.
  • Zusätzlich zu den serienmäßig am Motor verfügbaren Sensoren bzw. Aktuatoren, die das Motorsteuergerät mit Informationen versorgen bzw. über die der Motor gesteuert wird, ist eine Brennrauminformation aus jedem Zylinder erforderlich. Dies kann entweder ein Zylinderdruck- oder ein Ionenstromsignal sein, wobei je nach nachgeschaltetem Auswertealgorithmus Grad-Kurbelwinkel-Auflösung bis hin zu Abtastung von wenigen Werten pro Zyklus möglich sind. Basis zur einfachen Ermittlung des Brennverlaufs bzw. der Umsatzpunkte an einem Verbrennungsmotor bilden thermodynamische Grundgleichungen, wie bereits in [4] beschrieben.
  • 10 zeigt, wie eine solche Verbrennungsregelung für die Gleichstellung von indiziertem Mitteldruck und 50%-Umsatzlage aller Zylinder eines Vierzylindermotors eingesetzt werden kann.
  • Bei gleicher Vorsteuerung aller Zylinder (gleiche Voreinspritzmenge, gleiche Haupteinspritzmenge) sind deutliche Unterschiede im indizierten Mitteldruck der einzelnen Zylinder zu erkennen, der 50%-Umsatzpunkt liegt bei allen Zylindern zu früh. Wird die Verbrennungsregelung zugeschaltet, ist nach einigen Zyklen (abhängig von der Reglerbedatung) eine Zylindergleichstellung erreicht. Dass eine solche Verbrennungsregelung bei korrekter Bedatung relativ schnell auf Veränderungen reagieren kann, zeigt 11. Hier ist bei eingeschalteter Verbrennungsregelung ein Lastsprung im RZV-Betrieb dargestellt. Vorgesteuert reagiert der Motor von einem auf den anderen Zyklus und läuft mit der richtigen Verbrennungslage und einem für alle Zylinder gleichen indizierten Mitteldruck weiter.
  • 4. Betriebsartenwechsel
  • Durch die bereits erwähnten Nachteile bei Erhöhung der Last im selbstgezündeten Betrieb wird eine Umschaltung der Betriebsart zu konventionellem Ottobetrieb notwendig. Entsprechend der Festlegung auf einen zweistufig variablen Ventiltrieb einlass- sowie auslassseitig muss der Wechsel des Verbrennungsmodus innerhalb eines Verbrennungszyklus vollzogen werden (bei Umschaltung des Auslassventilhubs), da die durch den kleinen Auslassventilhub erreichten Abgasrückhalteraten für gezündeten Betrieb zu hoch sind. Die Umschaltung der Betriebsart birgt dabei in beide Richtungen (Ottomotorischer- → RZV-Betrieb und RZV- → Ottomotorischer Betrieb) Herausforderungen.
  • Versuche an einem Einzylinderaggregat haben gezeigt, dass eine lastneutrale Umschaltung von ottomotorischer Verbrennung hin zu kontrollierter Selbstzündung und umgekehrt auch mit verhältnismäßig geringen Variabilitäten im Ventiltrieb lastneutral darstellbar ist. Da der Wechsel zwischen den Brennverfahren nicht über eine kontinuierliche Erhöhung oder Verringerung des Restgasgehaltes möglich ist (RZV muss die Selbstzündungstemperatur erreichen und ottomotorischer Betrieb hat nur eine begrenzte Restgasverträglichkeit) muss der eigentliche Brennverfahrenswechsel innerhalb eines Zyklus geschehen. Parameter wie Einspritz- oder Zündtiming müssen entsprechend der unterschiedlichen Abgastemperaturen, Luftzahlen usw. über mehrere Zyklen den stationären Werten angeglichen werden.
  • 12 zeigt den Brennverfahrenswechsel von ottomotorischer Verbrennung mit hoher Last (6 bar indizierter Mitteldruck) zu Raumzündverbrennung mit niedriger Last (3 bar indizierter Mitteldruck). Dargestellt sind im oberen Teil der Abbildung integrale Messgrößen wie der pro Zyklus erreichte indizierte Mitteldruck und der maximale Druckanstieg, die Abgastemperatur und das Luftverhältnis. Im unteren Teil der Abbildung sind der Zylinderdruckverlauf, der Ventilhubverlauf und der Verlauf des Saugrohrdrucks für die Verbrennungszyklen kurz vor und nach dem Betriebsartenwechsel dargestellt. Problematische beim Wechsel des Verbrennungsmodus in die dargestellte Richtung ist der maximale Druckanstieg in den ersten selbstgezündeten Verbrennungszyklen aufgrund des höheren Temperaturniveaus von Abgas und Brennraumwänden. Wird vor dem Selbstzündungsbetrieb eine hohe ottomotorische Last gefahren, verschärft sich dieser Effekt. Deshalb sollte vor dem Umschalten von hoher ottomotorischer Last auf niedrige Last mit Raumzündverbrennung zunächst eine niedrigere ottomotorische Last eingestellt und gleich anschließend auf Raumzündverbrennung umgeschaltet werden. Durch zusätzliche Anpassung der Abgasrückhalterate an die Abgastemperatur (am Anfang des selbstgezündeten Betriebs geringere Abgasrückhalteraten) und eine Verschiebung des Einspritzeitpunktes nach spät (schlechtere Gemischaufbereitung) kann der maximale Druckanstieg in den ersten selbstgezündeten Verbrennungszyklen auf dem Niveau des stationären Betriebs eingefangen werden.
  • In einem Motorsteuergerät muss diese zyklische Abfolge von Parametereinstellungen in einer Ablaufsteuerung abgelegt werden, um einen Betriebsartenwechsel in jeder Situation gewährleisten zu können. Wird der Motor beispielsweise im gesteuerten ottomotorischen Modus betrieben und besteht die Anforderung auf Raumzündverbrennung umzuschalten (zum Beispiel bei erreichen einer Grenzdrehzahl oder -last), wird zunächst die programmierte Ablaufsteuerung durchlaufen, bevor aus Kennfeldern gesteuerter bzw. geregelter RZV-Betrieb aufgenommen wird. 13 zeigt einen solchen Vorgang. Dargestellt sind wiederum die zyklusaufgelösten Größen indizierter Mitteldruck und maximaler Druckanstieg sowie die Luftzahl und die Motordrehzahl. Zunächst wird der Motor aus den dafür vorgesehenen Kennfeldern im konventionellen Betrieb gesteuert. Bei Abfall der Motordrehzahl unter 2000 U/min wird im gezeigten Beispiel auf Raumzündverbrennung umgeschaltet und dazu eine Ablaufsteuerung durchlaufen. Danach kann aus Kennfeldern gesteuerter bzw. geregelter RZV-Betrieb aufgenommen werden.
  • 5. Verbrauch und Emission
  • Im stationären Motorbetrieb ist es möglich, die Zielgrößen für den dynamischen Motorbetrieb im Neuen Europäischen Fahrzyklus über die am häufigsten gefahrenen Punkte abzuschätzen. Dazu muss ein Fahrzeug mit entsprechender Getriebe- und Hinterachsübersetzung hinterlegt werden. Basis ist ein Mercedes-Benz C-Klasse-Fahrzeug (Bj 2005) mit Hinterachsübersetzung 3,07 und einem 1,8 l 4-Zylindermotor. Der für den NEFZ relevante Bereich ist trotz des kleinvolumigen Motors nahezu auf den Kennfeldbereich mit niedriger Drehzahl und niedriger Last beschränkt, was einem Teillastbrennverfahren wie der Raumzündverbrennung entgegen kommt. Werden die ermittelten Betriebspunkte stationär bei konditioniertem Motor gefahren, entspricht das Ergebnis einem „NEFZ heiß", d.h. einem Fahrzyklus bei betriebswarmen Motor.
  • Auf diese Weise wird das Gesamtsystem betrachtet, d.h. auch Vorteile, die die Hardwarevoraussetzungen des Motors im konventionellen ottomotorischen Betrieb mit sich bringen, haben einen Anteil am gesamten erzielten Verbrauchsvorteil. So steht am Ende insgesamt für die Raumzündverbrennung nur die Verbrauchsverbesserung die gegenüber einem ottomotorischen System mit gleichen Variabilitäten im Ventiltrieb erzielt wird. Die Ergebnisse sind in 14 dargestellt. Als Basisvariante zu Grunde gelegt ist hier ein Vierzylindermotor mit Kanaleinspritzung und einem Verdichtungsverhältnis von 9,3 ohne Nockenwellenverstellung. Einlass- sowie auslassseitige kontinuierliche Nockenwellenverstellung bringt einen Verbrauchsvorteil von etwa 3%. Der Versuchsmotor hingegen ist mit einem Verdichtungsverhältnis von 11,5 und zusätzlich einlass- und auslassseitiger Ventilhubumschaltung ausgestattet. Der durch das höhere Verdichtungsverhältnis verursachte Verbrauchsvorteil liegt bei etwa 2%. Für den Einsatz der Entdrosselungsstrategie „frühes Einlass schließt" (dargestellt durch den kleinen Einlassventilhub und eine frühe Einlassphase) ergibt sich ein Verbrauchsvorteil von etwa 3%. Wird zusätzlich Raumzündverbrennung (in den fahrbaren Punkten) eingesetzt, verbessert sich der Verbrauch um zusätzliche 3%. Bezogen auf die Basis ist die durch die Raumzündverbrennung erreichte Verbesserung größer als 3%, für das Gesamtkonzept gilt aber zu beachten: aus Einzeltechnologien resultierende Verbrauchsvorteile können nicht zwangsläufig addiert werden. Dabei gilt zu beachten, dass das maximale Verbrauchspotenzial bei großvolumigen Saugmotoren größer ist als bei dem verwendeten aufgeladenen Motor.
  • Eine Technologie zur Reduzierung des Teillastverbrauchs macht nur dann Sinn, wenn die entstehenden Kosten durch die erreichte Verbrauchsverbesserung gerechtfertigt werden können. Das bedeutet, dass im Gegensatz zu den existierenden geschichteten Direkteinspritzverfahren der Einsatz eines NOx-Speicherkatalysators vermieden werden muss. Da die Raumzündverbrennung überstöchiometrisch betrieben werden muss, um den maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, können bei der Verbrennung entstehende Stickoxide im konventionellen 3-Wege-Katalysator nicht reduziert werden. Die emittierte Stickoxidmenge muss also auf einem niedrigen Niveau liegen. Über die gleiche Betrachtung wie zum Verbrauchspotential kann nun auch eine Aussage über die Erhöhung der Stickoxidemission nach dem Katalysator getroffen werden (siehe 15).
  • Hierbei handelt es sich um eine Abschätzung für einen „Kalttest", da nur während der Kaltstartphase im konventionellen Betrieb nennenswert Stickoxide emittiert werden. Hat der Motor ein bestimmtes Temperaturniveau erreicht, kann in den fahrbaren Betriebspunkten Raumzündverbrennung zugeschaltet werden. Der aufsummierte Wert liegt noch unterhalb der 50%-Marke des EU4-Grenzwertes. Die durch RZV verursachte Mehremission ist zudem (im Gegensatz zur Basisemission) alterungsunabhängig. Auf den Einsatz eines NOx-Speicherkatalysators kann also verzichtet werden.
  • 6. Geräusch
  • Neben der Steuerung bzw. Regelung der Verbrennung bei kontrollierter Selbstzündung bleibt als weitere Herausforderung das durch einen hohen maximalen Druckanstieg während der Verbrennung verursachte Verbrennungsgeräusch, das je nach Betriebspunkt zwischen dem Niveau eines Ottomotors und dem Niveau eines Dieselmotors liegt (siehe 16).
  • Es gilt zwei Hauptursachen zu vermeiden: Zum einen zyklische Variationen der Verbrennungslage, die das Motorgeräusch ungleichmäßig erscheinen lassen, zum anderen den eigentlichen Druckanstieg während der Verbrennung. Die Reduzierung der zyklischen Schwankungen kann mittels der Verbrennungsregelung auf ein Mindestmaß reduziert werden. Zur Verringerung des maximalen Druckanstiegs während der Verbrennung muss die Brenngeschwindigkeit gesenkt werden. Dies wird mit Hilfe von Ladungsverdünnung erreicht. Ladungsverdünnung wiederum kann durch Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses oder durch Aufladung erfolgen.
  • Nur wenn das Verbrennungsgeräusch reduziert wird, kann der mit kontrollierter Selbstzündung darstellbare Betriebsbereich über den heute dargestellten Umfang hinaus erweitert werden.
  • Hierzu zeigen
  • 1 den indizierten Kraftstoffverbrauch (b) und die Kohlenwasserstoff- (HC) und Stickoxidrohemissionen (NOx) bei konventioneller ottomotorischer Verbrennung und Raumzündverbrennung in Abhängigkeit von der Restgasmasse (2000 U/min 3 bar imep),
  • 2 das Eigenleuchten bei konventioneller ottomotorischer Verbrennung, die durch eine Flammenfrontausbreitung gekennzeichnet ist, und bei homogener, kontrollierter Selbstzündung, bei der eine Wärmefreisetzung im gesamten Brennraum stattfindet; dabei ist die Helligkeit ein indirektes Maß für die auftretenden Temperaturen,
  • 3 Wärmefreisetzungsraten sowie Temperaturen (verbrannt, unverbrannt) bei konventioneller ottomotorischer Verbrennung und Raumzündverbrennung (2000 U/min, 3 bar imep),
  • 4 Grenzen für den Einsatz der kontrollierten Selbstzündung zwischen Klopfen und unvollständiger Verbrennung in Abhängigkeit von Zylinderdruck und Kurbelwinkel,
  • 5 verschiedene Ventilhub-Konfiguration bei verschiedenen Abgasrückhalte- bzw. -rückführkonzepten:
    Variante 1 (Rücksaugen von Restgas aus dem Auslasskanal),
    Variante 2 (Zweifaches Rücksaugen von Restgas aus dem Auslasskanal mittels zweier Auslassventile),
    Variante 3 (reine Abgasrückhaltung),
  • 6 eine Einspritzstrategie und ein zugehöriger Druckverlauf bei einem erfindungsgemäßen Brennverfahren mit kontrollierter Selbstzündung mit negativer Ventilüberlappung,
  • 7 die errechnete Temperaturänderung zum Öffnungszeitpunkt des Einlassventils bei einer Änderung des Voreinspritzanteils (1500 U/min, 4 bar imep),
  • 8 Änderung von indiziertem Kraftstoffverbrauch (isfc) und Stickoxidemissionen bei unterschiedlicher Lage des Schwerpunkts der Verbrennung (MFB50) (2000 U/min, 4 bar imep),
  • 9 ein Regler-Konzept für eine Brennkraftmaschine mit Raumzündverbrennung mit λ-Regler, Regler für Verbrennungslage und Regler für den indizierten Mitteldruck,
  • 10 ein Diagramm betreffend die Gleichstellung aller Zylinder eines 4-Zylinder-Motors mit kontrollierter Selbstzündung hinsichtlich 50%-Umsatzlage (MFB50) und indiziertem Mitteldruck,
  • 11 ein Diagramm betreffend die Regelung der Zylinder eines 4-Zylinder-Motors mit kontrollierter Selbstzündung hinsichtlich 50%-Umsatzlage (MFB50) und indiziertem Mitteldruck bei einem Lastsprung,
  • 12 ein Diagramm zum Brennverfahrenswechsel von ottomotorischer Verbrennung (SI) mit hoher Last (6 bar indizierter Mitteldruck) zu Raumzündverbrennung (CAI) mit niedriger Last (3 bar indizierter Mitteldruck),
  • 13 ein Diagramm zum Brennverfahrenswechsel von ottomotorischer Verbrennung (SI) mit hoher Drehzahl (3 bar indizierter Mitteldruck) zu Raumzündverbrennung (CAI) mit niedriger Drehzahl (3 bar indizierter Mitteldruck), wobei sich Luftzahl λ und maximaler Druckanstieg ändern,
  • 14 eine schematische Darstellung des Kraftstoffverbrauchspotentials eines Kfz mit 4-Zylinder-Brennkraftmaschine mit kontrollierter Selbstzündung,
  • 15 eine Abschätzung der NOx-Emissionen bei einem Kfz mit 4-Zylinder-Brennkraftmaschine mit kontrollierter Selbstzündung sowie
  • 16 eine Abschätzung der Geräuschemissionen einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine mit kontrollierter Selbstzündung im Vergleich zu Brennkraftmaschinen, die nach einem konventionellen Otto- bzw. Dieselverfahren betrieben werden (2000 U/min, 2 bar imep).
  • 7. Abkürzungen, Formelzeichen und Indizes
    • EGR
      Abgasrückführung
      CAI
      Controlled Auto Ignition, kontrollierte Selbstzündung
      CAD
      Grad Kurbelwinkel (Crank angle degree)
      dQ/dΦ
      Pro Grad Kurbelwinkel zugeführte Energie
      EHVS
      Elektrohydraulische Ventilsteuerung
      EMVS
      Elektromechanische/-magnetische Ventilsteuerung
      IV
      Einlassventil
      Λ
      Luft-Kraftstoff-Verhältnis
      mAir
      Luftmasse
      MFB50
      50% Umsatzpunkt der Verbrennung
      mfuel
      Kraftstoffmasse
      mresidual
      Restgasmasse
      gas
      NEDC
      Neuer Europäischer Fahrzyklus
      OT
      Oberer Totpunkt
      RZV
      Raumzündverbrennung
      SI
      Fremdzündung
      Tburnt
      Temperatur im Verbrannten
      Tunburnt
      Temperatur im Unverbrannten
      ZOT
      Oberer Totpunkt (Zündung)
      imep
      Indizierter Mitteldruck
  • 8. Literatur
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    • [2] Fraidl, G. K., Fuerhaupter, A., Piock, W. F., Csato, J. Homogene Selbstzündung beim Ottomotor – Herausforderungen, Potentiale und praktische Umsetzung Stuttgarter Symposium 2005
    • [3] Herrmann, H.-O., Herweg, R., Karl, G., Pfau, M., Stelter, M. Der Einsatz der Benzindirekteinspritzung in Ottomotoren mit homogen-kompressionsgezündeter Verbrennung Direkteinspritzung im Ottomotor V, Haus der Technik, Essen 2005
    • [4] Rassweiler, G. M., Withrow, L. Motion Pictures of Engine Flames Correlated with Pressure Cards SAE 800131
    • [5] Willand, J., Nieberding, R.-G., Vent, G., Enderle, C. The Knocking Syndrome – Its Cure and its Potential SAE 982483
    • [6] Nieberding, R.-G. Die Kompressionszündung magerer Gemische als motorisches Brennverfahren Universität Siegen, Dissertation 2002

Claims (2)

  1. Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, bei der ein Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum chemisch umsetzbar ist.
  2. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem in einem Verfahrensschritt Kraftstoff in einen Brennraum eingespritzt und mit Luft chemisch umgesetzt wird.
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