DE102007042405A1

DE102007042405A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007042405A1
Application number: DE102007042405A
Authority: DE
Inventors: Andre F. Casal Kulzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US20090064974A1; JP2009062988A

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum (2), mindestens ein Einlassventil (EV) und mindestens ein Auslassventil (AV), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst, und Frischga in einem Ansaugtakt (AN) in den Brennraum (2) eingebracht wird und durch Einbringen von Kraftstoff ein zündfähiges Gasgemisch in dem Brennraum (2) erzeugt wird und in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet wird, wobei das Gasgemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes (V) gezündet wird, wobei Frischgas mittels einer Kompressionseinrichtung (6) während des Ansaugtaktes (AN) in den Brennraum (2) eingebracht wird und dass das Einlassventil derart geschlossen wird, dass die geometrische Verdichtung gegenüber einem verdichtungsoptimalen Schließwinkel vermindert wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem Ottomotor tritt insbesondere bei hoher Last das Problem einer klopfenden Verbrennung oder einer Vorentflammung auf. Die Vorentflammung, d. h. die Wärmefreisetzung vor dem Zündzeitpunkt, oder die klopfende Verbrennung, d. h. die Wärmefreisetzung im Endgas nach dem Zündzeitpunkt, sind Phänomene, die temperaturgetrieben werden. Beides kann bewirkt werden durch Sekundärzündstellen wie z. B. heiße Brennraumstellen, meist an den Auslassventilen, Blow-by (Ölnebel) vom Kurbelgehäuse, einem falschen Wärmewert der Zündkerze sowie durch eine Selbstzündung des Gemisches im Endgas vor der Flammenfront. Vorentflammung und klopfende Verbrennung begrenzen oft Leistung und Verdichtungsverhältnis des Ottomotors. Bei modernen Ottomotoren sind Benzindirekteinspritzung (BDE), ein variabler Ventiltrieb und eine Aufladung, beispielsweise durch einen Turbolader, Stand der Technik. Diese bieten die Möglichkeit, hochaufgeladene konventionelle homogene fremdgezündete Brennverfahren darzustellen und dadurch eine sehr hohe spezifische Leistung zu erreichen. Auch bei derartigen Ottomotoren ist die klopfende Verbrennung der begrenzende Effekt bei Volllast.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben, die eine Klopfneigung bzw. Vorentflammung der Verbrennung verringert.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst, und Frischgas in einem Ansaugtakt in den Brennraum eingebracht wird und durch Einbringen von Kraftstoff ein zündfähiges Gasgemisch in dem Brennraum erzeugt wird und in einem Verdichtungstakt verdichtet wird, wobei das Gasgemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes gezündet wird, wobei Frischgas mittels einer Kompressionseinrichtung während des Ansaugtaktes in den Brennraum eingebracht wird und das Einlassventil derart geschlossen wird, dass die geometrische Verdichtung gegenüber einem verdichtungsoptimalen Schließwinkel vermindert wird. Der verdichtungsoptimale Schließwinkel ist ein Schließwinkel im Bereich des unteren Totpunktes des Ansaugtaktes. Üblicherweise wird der Schließwinkel von dem unteren Totpunkt am Ende des Ansaugtaktes leicht abweichen, beispielsweise um die Trägheit der angesaugten Gassäule oder Resonanzeffekte im Ansaugkanal auszunutzen. Gegenüber dieser sehr geringen Abweichung vom unteren Totpunkt ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Einlassventil früher als zu dem verdichtungsoptimalen Schließwinkel oder später als zu dem verdichtungsoptimalen Schließwinkel zu schließen. Unter früher oder später ist hierbei deutlich früher bzw. deutlich später gemeint, so dass entweder keine optimale Zylinderfüllung gegenüber dem verdichtungsoptimalen Schließwinkel erreicht wird oder ein Teil der Zylinderfüllung bei dem „späten Einlass schließt" wieder in den Ansaugtrakt ausgeschoben wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kompressionseinrichtung ein Turbolader oder ein Kompressor ist. Der Lambdawert des Gasgemisches in dem Brennraum wird vorzugsweise zumindest durch den Ladedruck der Kompressionseinrichtung gesteuert. Das Gasgemisch in dem Brennraum ist ein Gemisch aus Frischluft, Restgas sowie eingespritztem Kraftstoff. Eine Regelung des Lambdawertes über den Ladedruck hat den Vorteil, dass das Verfahren leistungsgeführt ist, der Regelungsvorgang also das abgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine nicht oder nur minimal beeinflusst.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Vorrichtung, insbesondere Brennkraftmaschine oder Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird, sowie die Verwendung einer Brennkraftmaschine mit einer Kompressionseinrichtung im Ansaugtrakt zur Durchführung (hier war Diktat zu Ende) Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 eine Skizze eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
2 ein Diagramm des Brennraumdruckes über dem Kurbelwellenwinkel;
3 Öffnungs- und Schließzeiten eines Einlassventils nach Stand der Technik;
4 Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Anhand der 1 bis 3 wird zunächst das technologische Umfeld der Erfindung beschrieben. In 1 ist ein Zylinder 1 einer ansonsten nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine dargestellt, die in der Regel aus mehreren Zylindern besteht. Der Zylinder 1 umfasst einen Brennraum 2, in dem ein Kolben 3 mit einem Pleuel 4 verschiebbar angeordnet ist. Das Pleuel 4 ist mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden. In den Brennraum 2 mündet ein Einlass 5 mit einem Einlassventil EV. Des Weiteren mündet in den Brennraum 2 ein Auslass 7 mit einem Auslassventil AV. So wohl das Einlassventil EV als auch das Auslassventil AV werden elektrohydraulisch angesteuert, die Brennkraftmaschine ist also mit einer so genannten elektrohydraulischen Ventilsteuerung (EHVS) ausgestattet. Eine elektrohydraulische Ventilsteuerung ermöglicht eine Ansteuerung der Ventile unabhängig von der Kurbelwellenstellung. Über den Einlass 5 wird Luft aus der Umgebung in den Brennraum 2 angesaugt. Die Verbrennungsabgase werden über den Auslass 7 wieder an die Umgebung abgegeben. Durch eine geeignete Öffnungszeit des Auslassventils AV, z. B. ein Öffnen des Auslassventils AV während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine, kann eine so genannte innere Abgasrückführung realisiert werden, indem nämlich im Ansaugtakt des Zylinders 1 Abgas aus dem Auslass 7 in den Brennraum 2 zurückströmt bzw. zurückgesaugt wird.
In den Brennraum 2 münden in bekannter Art und Weise eine Zündkerze 11 sowie ein Injektor 12. Der Injektor 12 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Injektor oder ein elektrohydraulischer Injektor. Der Injektor 12 ist über eine Hochdruckleitung 10 mit einem nicht dargestellten Hochdruck-Rail der Brennkraftmaschine verbunden. Die Hochdruckleitung 10 führt Kraftstoff zu dem Injektor 12. Der Injektor 12 wird elektrisch durch ein Steuergerät 9 angesteuert, entsprechend werden durch das Steuergerät 9 auch die Zündkerze 11 sowie das Einlassventil EV und das Auslassventil AV gesteuert. Statt eines Einlassventils EV und eines Auslassventils AV können hier auch mehrere Einlassventile EV und mehrere Auslassventile AV vorgesehen sein.
Bei elektrohydraulischen, nockenwellenlosen Ventilsteuerungen (EHVS), wie sie z. B. aus der DE 10127205 und der DE 10134644 bekannt sind, können Hub- und Steuerzeiten der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine prinzipiell frei programmiert werden. Die Gaswechselventile sind hier das oder die Einlassventil(e) EV und das oder die Auslassventil(e) AV.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst des Weiteren einen in 1 nur schematisch dargestellten Turbolader 6. Der Turbolader 6 umfasst in an sich bekannten Weise eine Turbine 8, die einen Lader 13 antreibt. Der Ladedruck pl im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine kann über die Turboladerdrehzahl gesteuert werden, diese wird mit einem regelbaren Bypass 14, der die Abgasturbine 8 überbrücken kann und dessen Volumenstrom über ein steuerbares Drosselventil 15 gesteuert wird, gesteuert werden.
Neben einem Turbolader mit einem Bypass sind auch andere Einrichtungen zur Regelung des Ladedruckes pl bekannt, so zum Beispiel Turbolader mit einer Turbinenstufe mit veränderlicher Turbinengeometrie, zum Beispiel veränderliche Steigung der Schaufeln oder dergleichen. Der Ladedruck pl wird im Ausführungsbeispiel der 1 durch die Stellung des Bypassventils 15 von dem Steuergerät 9 gesteuert.
2 zeigt ein Diagramm eines Arbeitstaktes der Brennkraftmaschine. Über der Ordinate dargestellt ist ein Kurbelwellenwinkel in grad Kurbelwelle (°KW) von –180° bis 540°, über der Abszisse ist der Brennraumdruck in bar aufgetragen. Mit 0° ist hier willkürlich der Obere Totpunkt im Ladungswechsel L-OT gewählt, bei 180 °KW ist der untere Totpunkt des Ladungswechsels L-UT erreicht. Der Ladungswechsel dient in bekannter Weise dem Ausstoßen verbrannter Abgase, dies findet hier zwischen –180° und 0° Kurbelwelle statt, und dem Ansaugen frischer Umgebungsluft bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, dies findet hier im Kurbeiwellenwinkelbereich von 0–180° statt. Eine Kurbelwellenumdrehung weiter, bei 360° Kurbelwelle, ist der Obere Totpunkt der Zündung (Zündungs-OT) Z-OT erreicht. Zwischen 180° Kurbelwelle und 360° Kurbelwellenwinkel findet der Verdichtungstakt V statt, zwischen 360° Kurbelwellenwinkel und 540° Kurbelwellenwinkel findet die Expansion E der verbrennenden Gase statt. Die einzelnen Takte sind in 2 bezeichnet mit dem Ausstoßtakt AU von –180° bis 0°, dem Ansaugtakt AN von 0° bis 180°, dem Verdichtungstakt (Kompression) V von 180° bis 360° und dem Expansionstakt (Verbrennung) E von 360° bis 540°. Im Verdichtungstakt V wird das Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch verdichtet und dabei erhitzt. Das Gemisch wird in der Regel kurz vor Erreichen des Zündungs-OTs gezündet. Die Zündung des Gemisches führt in bekannter Art und Weise zu einer Druckerhöhung, die im sich daran anschließenden Arbeitstakt der Expansion E in mechanische Energie umgewandelt wird.
3 zeigt das Öffnen und Schließen des Einlassventils EV über dem Kurbelwellenwinkel °KW. Das Öffnungs- und Schließverhalten ist durch eine Linie dargestellt, wobei die mit dem 180° Kurbelwellenwinkel zusammenfallende Linie C für das geschlossene Einlassventil EV steht, eine davon abweichende Linie O für das geöffnete Einlassventil EV steht. Das Öffnen und Schließen erfolgt durch die trägen Massen nicht schlagartig, so dass die Übergänge zwischen dem geöffneten und geschlossenen Ventil bzw. umgekehrt rampenförmig verlaufen. 3 stellt ein optimales Schließen des Einlassventils EV dar, das Schließen des Einlassventils erfolgt in etwa bei 180° Kurbelwellenwinkel und damit dem unteren Totpunkt im Ladungswechsel L-UT.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem das Einlassventil EV deutlich später als bei dem verdichtungsoptimalen Prozess gemäß 3 geschlossen wird. Das Einlassventil wird also bis in den Verdichtungstrakt V hinein offen gehalten, so dass ein Rückfluss von angesaugter Luft bzw. Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Einlasskrümmer stattfindet (Atkinson-Prozess). Dadurch wird das effektive Verdichtungsverhältnis ⫿ reduziert. Um den Massenverlust durch das Ausschieben von Gemisch in das Saugrohr auszugleichen, wird der Ladedruck vermittels des Turboladers 6 erhöht, wobei die Einlass-Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemisches z. B. durch Ladeluftkühlung konstant gehalten wird. Im Ergebnis ist der Füllungsgrad bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in etwa gleich zum Stand der Technik, wobei jedoch das effektive Verdichtungsverhältnis ⫿ verringert ist.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem gegenüber dem in 3 dargestellten verdichtungsoptimalen Prozess bzw. verdichtungsoptimalen Schließwinkel das Einlassventil EV deutlich vor dem unteren Totpunkt des Ladungswechsels L-UT geschlossen wird. Das Einlassventil EV wird also geschlossen, ehe der Ansaughub beendet ist (Miller-Prozess). Auch hier wird das effektive Verdichtungsverhältnis ⫿ verringert. Ebenso wie bei dem zuvor dargestellten Ausführungsbeispiel wird das geringere effektive Verdichtungsverhältnis durch einen höheren Ladedruck ausgeglichen, so dass die gesamte Zylinderfüllung gegenüber einem Prozess nach Stand der Technik in etwa konstant bleibt. Das Kombinieren des "späten Einlass schließt" (Atkinson-Prozess) gemäß 4 bzw. des "frühes Einlass schließt" (Miller-Prozess) gemäß 5 und eines höheren Ladedrucks ermöglicht eine Reduktion des Verdichtungsverhältnisses und dadurch eine Reduktion der Klopfneigung. Der Energiebedarf für den höheren Ladedruck lässt sich über den verbesserten Verbrennungswirkungsgrad kompensieren. Ein besserer Verbrennungswirkungsgrad und Maßnahmen zur Vermeidung einer Vorentflammung oder klopfenden Verbrennung bei einem Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung und variablen Ventiltrieb bedeutet eine optimale Verbrennungslage, nämliche eine frühere Verbrennungslage als bei einem üblicherweise zur Klopfvermeidung herangezogenen späten Zündwinkel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10127205 [0013]
- DE 10134644 [0013]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum (2), mindestens ein Einlassventil (EV) und mindestens ein Auslassventil (AV), deren Öffnungszeiten veränderbar sind, umfasst, und Frischgas in einem Ansaugtakt (AN) in den Brennraum (2) eingebracht wird und durch Einbringen von Kraftstoff ein zündfähiges Gasgemisch in dem Brennraum (2) erzeugt wird und in einem Verdichtungstakt (V) verdichtet wird, wobei das Gasgemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes (V) gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Frischgas mittels einer Kompressionseinrichtung (6) während des Ansaugtaktes (AN) in den Brennraum (2) eingebracht wird und dass das Einlassventil derart geschlossen wird, dass die geometrische Verdichtung gegenüber einem Verdichtungsoptimalen Schließwinkel vermindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil früher als zu dem Verdichtungsoptimalen Schließwinkel geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil später als zu dem Verdichtungsoptimalen Schließwinkel geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionseinrichtung (6) ein Turbolader ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionseinrichtung (6) ein Kompressor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert des Gasgemisches in dem Brennraum (2) zumindest durch den Ladedruck der Kompressionseinrichtung gesteuert wird.
Vorrichtung, insbesondere Brennkraftmaschine (1) oder Steuergerät (9) für eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüchen.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Verwendung einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Kompressionseinrichtung (6) im Ansaugtrakt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.