DE102008047313A1

DE102008047313A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008047313A1
Application number: DE102008047313A
Authority: DE
Inventors: Jens Tophoven
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen selbstzündenden, insbesondere einen nach dem CAI-Verfahren (Controlled Auto Ignition) arbeitenden Verbrennungsmotor (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader (2) und einem Ladeluftkühler (3) zur Temperaturreduzierung einer dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Ladeluft, wobei ein den Ladeluftkühler (3) umgehender Bypasskanal (9) vorgesehen ist. Hierdurch lassen sich insbesondere Abgasrückhalteraten und ein Abwärmestrom reduzieren und dadurch der Wirkungsgrad erhöhen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nach dem homogenen kompressionsgezündeten Verfahren, also dem Selbstzündverfahren, beispielsweise nach dem CAI-Verfahren (Controlled Auto Ignition) arbeitenden Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
„Controlled Auto Ignition” (CAI) ist eine mögliche Form der motorischen Verbrennung. Das Grundprinzip besteht dabei darin, die Selbstzündung eines frischen Kraftstoff-/Luftgemisches an mehreren Stellen im Brennraum gleichzeitig herbeizuführen. Dies führt zu einem relativ schnellen Verbrennungsablauf, der einem idealen Prozess nahe kommt. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass der Verbrennungsmotor bei niedrigen Lasten ohne oder mit nur geringer Drosselung zu betreiben ist, was zu einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrades führt, so dass bis zu 45% der Kraftstoffenergie in Nutzleistung umgesetzt werden können. Üblicherweise wird dabei beim CAI-Verfahren die Verbrennung nicht durch einen äußeren Energieeintrag, zum Beispiel durch einen Zündfunken, herbeigeführt, sondern durch die während der Kompressionsphase stattfindende Druck- und Temperaturerhöhung. Um beim CAI-Verfahren die Zündung zu gewährleisten, ist es nötig, bereits beim Kompressionsstart eine ausreichend hohe Temperatur bereitzustellen. Dies wird durch hohe Rückhalteraten heißen Abgases erreicht, wobei ein Auslassventil besonders früh schließt, so dass das Restgas am Ausströmen gehindert wird. Bei niedriger Last ist das Abgas kühler, wodurch höhere Rückhalteraten von bis zu 70% notwendig werden. Zu hohen Lasten hin, wird das Abgas heißer, so dass nur kleine Rückhalteraten erforderlich sind. Um dabei die Rückhalteraten variieren zu können, wird üblicherweise ein Phasensteller zumindest am Auslassventil eingesetzt, mit welchem auf die Steuerzeiten eingelegt werden kann.
Die Verbrennung startet beim CAI-Verfahren nicht an einem ausgewiesenen Punkt, sondern nahezu gleichzeitig im gesamten Brennraum, wodurch der Umsatz des Kraftstoff-Luft-Gemisches schlagartig erfolgt und die Trenndauer äußerst kurz ist. Dies bewirkt den im vorigen Absatz beschriebenen hohen Wirkungsgrad. Bei hohen Lasten entstehen jedoch aufgrund des plötzlichen Energieumsatzes und der schnellen Verbrennung hohe Druckgradienten, welche eine starke Lärmemission verursachen. Dies schränkt das mit dem CAI-Verfahren darstellbare Kennfeld stark ein, so dass bei höheren Lasten auf einen konventionellen Otto-Betrieb umgeschaltet wird. Mit einem Ladeluftkühler und einem Abgasturbolader wird dabei versucht, auch bei hohen Lasten den Druckgradienten zu begrenzen. Durch die Aufladung wird kühle Überschussluft in den Zylinder gedrückt, wobei der in der Luft enthaltene Stickstoff als Inertgas wirkt und die Verbrennungstemperatur senkt. Hierdurch verlängert sich die Brenndauer und als Folge davon sinkt der Druckgradient.
Von besonderem Vorteil bei einem derartigen, nach dem CAI-Verfahren arbeitenden Verbrennungsmotor ist, dass nur sehr wenig thermisches NO_x während der Verbrennung gebildet wird, da insbesondere bei niedrigen Lasten die NO_x-Bildungstemperatur von ca. 2000 K nicht erreicht bzw. überschritten wird.
Nachteilig bei den bekannten, beispielsweise nach dem CAI-Verfahren arbeitenden, Verbrennungsmotoren ist, dass aufgrund der hohen Abgasrückhalteraten lediglich ein sehr geringer Massenstrom heißen Abgases über die Turbine fließt, so dass die Turbinenleistung, das heißt insbesondere die Leistung des Abgasturboladers, insbesondere in der unteren Teillast, bei welcher der Verbrennungsmotor mit Rückhalteraten von bis zu 70% betrieben wird, sehr gering ausfällt. Hieraus wiederum resultiert letztlich ein geringer Ladedruck. Ein weiteres Problem des CAI-Verfahrens sind die hohen Wandwärmeverluste, welche sich dadurch ergeben, dass die Abgasrückhaltung üblicherweise durch negative Ventilüberschneidung erzielt wird. Daraus ergibt sich die für das CAI-Verfahren typische Zwischenkompression, während dieser die große Menge heißen Abgases den erhöhten Wärmeübergang erzeugt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, die Leistung eines nach dem CAI-Verfahren arbeitenden Verbrennungsmotor, insbesondere bei Teillast, zu steigern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem selbstzündenden, insbesondere bei einem nach dem CAI-Verfahren (Controlled Auto Ignition) arbeitenden, Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Abgasturbolader und einem Ladeluftkühler zur Temperaturreduzierung einer dem Verbrennungsmotor zugeführten Ladeluft, einen den Ladeluftkühler umgehenden Bypasskanal vorzusehen. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Frischluft, die durch eine Verdichterstufe des Abgasturboladers komprimiert und dadurch erwärmt wird, nun nicht mehr vom Ladeluftkühler gekühlt wird, sondern diesen durch den Bypasskanal umgeht, wodurch insbesondere in der unteren Teillast kleinere Abgasrückhalteraten erforderlich sind, um die für die Selbstzündung notwendige Verdichtungsstarttemperatur im Brennraum des Verbrennungsmotors zu erreichen. In der oberen Teillast bzw. im konventionellen Betrieb, wird der Bypasskanal geschlossen, um wieder den Vorteil der erhöhten Dichte aufgrund der Kühlung der Frischluft im Ladeluftkühler zu erhalten. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass durch die Umgehung des Ladeluftkühlers geringere Abgasrückhalteraten erforderlich sind. Dadurch kann mehr Abgas aus einem Zylinder des Verbrennungsmotors ausgeschoben werden, woraufhin der Massenstrom über den Abgasturbolader, respektive die Turbinenseite des Abgasturboladers ansteigt. Der ansteigende Massenstrom auf der Turbinenseite des Abgasturboladers, führt zwangsläufig zu einer Erhöhung der Turbinenleistung und steigert damit letztlich auch den Ladedruck auf der Verdichterseite schon in der unteren Teillast. Darüber hinaus wirken sich die geringeren Restgasraten im Zylinder positiv auf einen Wärmeübergang in der Zwischenkompression aus, da beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mehr heißes Abgas ausgeschoben und daher ein Wandwärmestrom während der Zwischenverdichtung gesenkt werden kann. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Technik auch bei nach anderen Verfahren arbeitenden selbstzündenden Verbrennungsmotoren einsetzbar, so z. B. bei HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) oder bei GCI (Gasoline Compression Ignition).
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist eine Ventileinrichtung vorgesehen, mit welcher ein Ladeluftstrom im Bypasskanal beeinflussbar ist. Eine derartige Ventileinrichtung ist vorzugsweise stufenlos zwischen zwei Extremstellungen, in welchen sie den Bypasskanal entweder vollständig öffnet oder vollständig verschließt, verstellbar. Hierdurch kann individuell auf den im Bypasskanal strömenden Ladeluftstrom Einfluss genommen werden, wodurch eine besonders exakte und insbesondere bedarfsgerechte Steuerung des durch den Bypasskanal strömenden Ladeluftstroms erzielbar ist. Hierdurch lässt sich ebenso der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors steigern.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor.
Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor 1 zumindest eine Ladeeinrichtung 2, insbesondere einen Abgasturbolader 2, sowie einen Ladeluftkühler 3 auf. Denkbar ist selbstverständlich auch eine mehrstufige, insbesondere eine Registeraufladung. Dabei ist zumindest ein Zylinderauslass 4 mit einer Turbinenseite 5 des Abgasturboladers 2 verbunden, so dass aus dem Verbrennungsmotor 1 ausströmendes Abgas der Turbinenseite 5 des Abgasturboladers 2 zum Antrieb eines dort angeordneten Turbinenrades zugeführt wird. Das Turbinenrad ist über eine nicht gezeigte Welle mit einem Verdichterrad auf einer Verdichterseite 6 des Abgasturboladers 2 drehfest verbunden, so dass aus dem Verbrennungsmotor 1 zur Turbinenseite 5 strömendes Abgas das auf der Verdichterseite 6 angeordnete Verdichterrad antreibt. Das Verdichterrad komprimiert dabei die dem Verbrennungsmotor 1 über einen Zylindereinlass 7 zuzuführende Luft, wobei diese Luft während des Verdichtungsvorgangs erwärmt wird. Um dabei mehr verdichtete Ladeluft pro Arbeitstakt in einen Zylinder 8 des Verbrennungsmotors 1 pressen zu können, ist gemäß der 1 zwischen der Verdichterseite 6 und dem Zylindereinlass 7 der Ladeluftkühler 3 angeordnet, welcher die Temperatur der dem Verbrennungsmotor 1 zugeführten Luft verringert, wodurch mehr Sauerstoff dem Verbrennungsvorgang zugeführt werden kann.
Der gemäß der 1 dargestellte Verbrennungsmotor 1 arbeitet dabei nach dem sogenannten CAI-Verfahren (Controlled Auto Ignition), bei welchem die Verbrennung nicht durch einen äußeren Energieeintrag, beispielsweise eine Zündkerze, eingeleitet wird, sondern durch die während der Kompressionsphase im Zylinder 8 stattfindende Druck- und Temperaturerhöhung. Um beim CAI-Verfahren die Zündung auf jeden Fall gewährleisten zu können, ist es erforderlich, bereits beim Kompressionsstart eine ausreichend hohe Temperatur bereitzustellen, was durch hohe Rückhalteraten heißen Abgases erreicht wird. Problematisch ist hierbei, dass insbesondere in unteren Teillastbereichen, lediglich ein sehr geringer Massenstrom heißen Abgases der Turbinenseite 5 des Abgasturboladers 2 zugeführt wird, so dass insbesondere in diesen unteren Teillastbereichen die Turbinenleistung entsprechend absinkt.
Erfindungsgemäß ist deshalb ein den Ladeluftkühler 3 umgehender Bypasskanal 9 vorgesehen. Hierdurch wird die Frischluft, die von der Verdichterseite 5 des Abgasturboladers 2 komprimiert und damit erwärmt wird, nicht mehr gekühlt, was dazu führt, dass die dem Zylindereinlass 7 zugeführte Frischluft eine höhere Temperatur aufweist, so dass insbesondere in unteren Teillastbereichen kleinere Abgasrückhalteraten erforderlich sind, um die für die Selbstzündung notwendige Verdichtungsstarttemperatur im Zylinder 2 erreichen zu können. In den oberen Teillastbereichen bzw. im konventionellen Betrieb, kann dabei der Bypasskanal 9 geschlossen werden, um so wieder den Vorteil der erhöhten Dichte aufgrund der Kühlung der Frischluft im Ladeluftkühler 3 zu erhalten.
Um dabei einen Ladeluftstrom im Bypasskanal 9 zu beeinflussen, ist eingangsseitig des Bypasskanals 9 eine Ventileinrichtung 10 vorgesehen, welche insbesondere von einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung 11 gesteuert bzw. geregelt werden kann. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 11 erlaubt dabei insbesondere auch einen Mischbetrieb, das heißt einen gemischten Durchfluss von Frischluft durch den Bypasskanal 9 und den Ladeluftkühler 3 oder aber einen ausschließlichen Frischluftdurchlass durch den Ladeluftkühler 3 oder den Bypasskanal 9.
Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 1 ist dabei, dass insgesamt geringere Abgasrückhalteraten erforderlich sind, wodurch mehr Abgas aus dem Zylinder 8 ausgeschoben werden kann, so dass der auf die Turbinenseite 5 einwirkende Massenstrom erhöht werden kann. Dies erhöht wiederum die Turbinenleistung und steigert letztlich auch den Ladedruck auf der Verdichterseite 6. Des Weiteren wirken sich die geringeren Restgasraten im Zylinder 8 positiv auf einen Wärmeübergang in einer Zwischenkompression aus, da mehr heißes Abgas ausgeschoben wird.

Claims

Ein selbstzündender, insbesondere ein nach dem CAI-Verfahren (Controlled Auto Ignition) arbeitender, Verbrennungsmotor (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Abgasturbolader (2) und wenigstens einem Ladeluftkühler (3) zur Temperaturreduzierung einer dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Ladeluft, wobei ein den Ladeluftkühler (3) umgehender Bypasskanal (9) vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventileinrichtung (10) vorgesehen ist, mit welcher ein Ladeluftstrom im Bypasskanal (9) beeinflussbar ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (3) zwischen dem Abgasturbolader (2) und dem Verbrennungsmotor (1) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (11) zur Steuerung/Regelung des durch den Bypasskanal (9) strömenden Ladeluftstrom vorgesehen ist.