-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader, der eine in einem Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen in einem Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfaßt.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit Motorsteuerung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden. Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt.
-
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei eine verbesserte, d. h. effektivere Verbrennung im Vordergrund der Bemühungen steht.
-
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, der mit einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch arbeitet, welches durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem Kraftstoff in den Ansaugtrakt eingespritzt wird, und bei dem die gewünschte Leistung mittels Quantitätsregelung eingestellt wird.
-
Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr sie den Ansaugtrakt versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlaß in den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise die Luftmasse, d. h. die Quantität, über den Druck der angesaugten Luft eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat insbesondere im Teillastbereich thermodynamische Nachteile. Denn geringe Lasten erfordern eine große Druckabsenkung im Ansaugtrakt und daher eine hohe Drosselung. Um die Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien entwickelt, beispielsweise die Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens durch die Verwendung eines variablen Ventiltriebs.
-
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird aufgeladen. Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird, aber im allgemeinen ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
-
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
-
Für die Aufladung wird vorliegend mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle gelagert sind, wobei die Turbine im Abgasabführsystem und der Verdichter im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
-
Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Zusätzlich kann ein Ladeluftkühler vorgesehen werden, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den Brennraum gekühlt wird. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.
-
Ein Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Ladern besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist.
-
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Ottomotor die Last verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
-
In der Praxis führen die beschriebenen Zusammenhänge häufig dazu, dass ein kleiner Abgasturbolader eingesetzt wird, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt, oder mehrere Abgasturbolader eingesetzt werden.
-
Bei der Optimierung der Abgasturboaufladung ist das Ansprechverhalten der Abgasturboaufladung bzw. der mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine ebenfalls von besonderem Interesse. Problematisch ist dabei, dass die Brennkraftmaschine der Leistungsanforderung des Fahrers im Einzelfall nur verzögert folgen kann. Insbesondere bei einem sogenannten Lastsprung, bei dem die Lastanforderung sprunghaft steigt, reagiert der Abgasturbolader mit einem Zeitversatz, der benötigt wird, um den für die angeforderte Last erforderlichen Ladedruck bereitzustellen, d. h. aufzubauen.
-
Ein Beispiel für einen solchen Lastsprung ist der Überholvorgang, bei dem infolge eines Kick-downs des Gaspedals die Leistungsanforderung schlagartig und deutlich erhöht wird; in der Regel um ein Vielfaches. Ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine bei Teillast, bei der der Zündzeitpunkt αZ,opt im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad festgelegt wird und die Zündung dadurch bedingt vergleichsweise früh erfolgt, wird der Zündzeitpunkt αZ bei Einleiten des Lastsprungs sprunghaft nach spät verschoben, d. h. der sprunghaft steigenden Last nachgeführt. Die Verschiebung des Zündzeitpunktes nach spät mit zunehmender Last ist dabei grundsätzlich zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung erforderlich. Dennoch wird nach dem Stand der Technik angestrebt, so früh wie möglich zu zünden, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu realisieren, d. h. so früh wie es die Vermeidung einer klopfenden Verbrennung gerade eben noch zuläßt.
-
Vor dem Hintergrund des vorstehend Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 aufzuzeigen, mit dem das Ansprechverhalten der Abgasturboaufladung bzw. der mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine bei einem Lastsprung verbessert wird.
-
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader, der eine in einem Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen in einem Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfaßt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einem Lastsprung Δpme der Zündzeitpunkt αZ ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Zündzeitpunkt αZ,opt nach spät verschoben wird und zwar über einen Zündzeitpunkt αZ,knock hinaus nach spät verschoben wird, wobei αZ,knock der früheste zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung erforderliche Zündzeitpunkt ist.
-
Wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird der Zündzeitpunkt αZ auch gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einem Lastsprung Δpme ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Zündzeitpunkt αZ,opt nach spät verschoben.
-
Entgegen der herkömmlichen Vorgehensweise wird der Zündzeitpunkt αZ jedoch weiter nach spät verschoben als dies erforderlich ist, um eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Während nach dem Stand der Technik auch im Rahmen eines Lastsprungs an dem Prinzip einer möglichst frühen Zündung festgehalten wird, d. h. so früh wie möglich gezündet wird, um einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten, wird der Zündzeitpunkt αZ erfindungsgemäß über einen Zündzeitpunkt αZ,knock hinaus nach spät verschoben. Dabei bezeichnet αZ,knock den frühesten Zündzeitpunkt, bei dem keine klopfende Verbrennung beobachtet wird.
-
Die Verschiebung des Zündzeitpunktes nach spät führt zu einer Verschiebung der Verbrennung bzw. des Verbrennungsschwerpunktes nach spät, d. h. in Richtung Expansionsphase.
-
Dadurch wird die im Rahmen der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Energie anteilig weniger in Form von Expansionsarbeit genutzt, d. h. zur Erhöhung der auf den Kolben wirkenden Gaskräfte, sondern vielmehr zur Steigerung der Abgasenthalpie eingesetzt, d. h. zur Erhöhung der Abgastemperatur und des Abgasdrucks.
-
Infolgedessen weisen auch die heißen Abgase im Abgasabführsystem am Eintritt in die Turbine eine höhere Abgasenthalpie auf, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird. Das Ansprechverhalten der Turbine, des Abgasturboladers bzw. der aufgeladenen Brennkraftmaschine wird auf diese Weise verbessert.
-
Die Leistungsanforderung eines Fahrers im Rahmen eines Lastsprungs kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Zündverfahrens schneller befriedigt werden, da der für die angeforderte Last erforderliche Ladedruck infolge der gesteigerten Abgasenthalpie schneller aufgebaut wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat im Rahmen eines Lastsprungs bei der Festlegung des Zündzeitpunktes αZ eine völlig andere Präferenz als die aus dem Stand der Technik bekannten Zündverfahren, deren erste Priorität auf der Vermeidung einer klopfenden Verbrennung bei möglichst hohem Wirkungsgrad liegt und der alle anderen Zielsetzung untergeordnet werden. Insofern wird mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Zündverfahrens ein völlig andersartiger, unkonventioneller Ansatz verfolgt.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Zündverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 aufgezeigt, mit dem das Ansprechverhalten der Abgasturboaufladung bzw. der mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine bei einem Lastsprung verbessert wird.
-
Weitere vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Zündzeitpunkt αZ bei einem Lastsprung Δpme sprunghaft nach spät verschoben wird.
-
Der Leistungsanforderung eines Fahrers im Rahmen eines Lastsprungs sollte möglichst schnell entsprochen werden, weshalb es vorteilhaft ist, wenn der Zündzeitpunkt αZ bei einem Lastsprung Δpme möglichst verzögerungsfrei, d. h. sprunghaft, nach spät verschoben wird.
-
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen bei einem Lastsprung Δpme der Zündzeitpunkt αZ ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten und in der Kompressionsphase liegenden Zündzeitpunkt αZ,opt in die Expansionsphase nach spät verschoben wird.
-
Die vorstehende Verfahrensvariante stellt sicher, dass die im Kraftstoff chemisch gebundene Energie primär zur Steigerung der Abgasenthalpie genutzt wird und weniger in Form von Expansionsarbeit in den Kolben bzw. die Kurbelwelle eingeleitet wird.
-
In der Expansionsphase bewegt sich der Kolben bereits wieder vom oberen Totpunkt (ZOT) in Richtung des unteren Totpunktes (UT). Eine während der Expansion stattfindende Verbrennung trägt somit weniger zur Beschleunigung des Kolbens als vielmehr zur Steigerung der Temperatur und des Drucks des Abgases bei.
-
Hingegen würde eine während der Kompressionsphase mittels Zündung eingeleitete und anlaufende Verbrennung der Aufwärtsbewegung des Kolbens entgegenwirken bzw. bei Überschreiten des oberen Totpunktes (ZOT) primär der Beschleunigung des Kolbens dienen, d. h. durch Expansionsarbeit verbraucht.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Lastsprung Δpme mehr als 10 bar, vorzugsweise mehr als 15 bar, beträgt. Insbesondere bei größeren Lastsprüngen, wie beispielsweise Überholvorgängen, ist es erforderlich, dass der Leistungsanforderung eines Fahrers möglichst schnell entsprochen wird, weshalb sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere bei Lastsprüngen der in Rede stehenden Größenordnung als vorteilhaft erweist.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen bei einem Lastsprung Δpme der Zündzeitpunkt αZ ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Zündzeitpunkt αZ,opt um mehr als 10°KW nach spät verschoben wird, d. h. eine Zündwinkelverstellung ΔαZ ≥ 10°KW vorgenommen wird, sobald ein Lastsprung detektiert ist. In der Regel wird der Zündzeitpunkt αZ in °KW angegeben, weshalb es vorteilhaft und sinnvoll ist, die Zündwinkelverstellung ΔαZ ebenfalls in °KW anzugeben.
-
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen bei einem Lastsprung Δpme der Zündzeitpunkt αZ ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Zündzeitpunkt αZ,opt um mehr als 15°KW nach spät verschoben wird.
-
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen bei einem Lastsprung Δpme der Zündzeitpunkt αZ ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Zündzeitpunkt αZ,opt um mehr als 20°KW nach spät verschoben wird.
-
In welcher Größenordnung die Zündwinkelverstellung ΔαZ im konkreten Einzelfall geeigneter Weise gewählt werden sollte, d. h. um wie viel Grad Kurbelwinkel (°KW) der Zündzeitpunkt αZ gegenüber einem Zündzeitpunkt αZ,opt, der hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert ist, verstellt werden sollte, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, unter anderem von der Größe des Lastsprungs Δpme und der Brennkraftmaschine, bei der das Verfahren angewendet werden soll, insbesondere auch von der Anzahl der Turbolader und ihrer Anordnung.
-
Grundsätzlich ist man bemüht, die Turbine möglichst nahe an den Auslaßöffnungen der Zylinder anzuordnen, da zur Verbesserung des Ansprechverhaltens stromaufwärts der Turbine ein möglichst geringes Leitungsvolumen realisiert werden sollte. Eine möglichst motornahe Anordnung läßt sich aber nicht in jedem Einzelfall realisieren, so dass die Turbine gegebenenfalls weiter vom Auslaß der Brennkraftmaschine entfernt ist, als dies im Hinblick auf ein zufriedenstellendes Ansprechverhalten wünschenswert ist. Je weiter entfernt die Turbine im Abgasabführsystem angeordnet ist, desto höher ist der Bedarf, das Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Laders bei einem Lastsprung zu verbessern, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen für den Zündzeitpunkt αZ gilt: 0°KW nach ZOT ≤ αZ ≤ 30°KW nach ZOT.
-
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen für den Zündzeitpunkt αZ gilt: 5°KW nach OT ≤ αZ ≤ 20°KW nach OT.
-
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen für den Zündzeitpunkt αZ gilt: 10°KW nach OT ≤ αZ ≤ 25°KW nach OT.
-
Den drei vorstehenden Verfahrensvarianten ist gemeinsam, dass die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Expansionsphase erfolgt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die im Kraftstoff chemisch gebundene Energie primär zur Steigerung der Abgasenthalpie genutzt wird. Es wird Bezug genommen auf die Ausführungen, welche bereits im Zusammenhang mit einer Zündung in der Expansionsphase gemacht worden sind, und die erwähnten Vorteile.
-
Zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, d. h. eines Ottomotors, sind Varianten des Verfahrens vorteilhaft, bei denen der Zündzeitpunkt αZ mittels Fremdzündung eingestellt wird.
-
Zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, d. h. eines Dieselmotors, sind Varianten des Verfahrens vorteilhaft, bei denen der Zündzeitpunkt αZ mittels Einspritzung eingestellt wird, insbesondere über den Beginn der Einspritzung (SOI), aber auch über die Einspritzrate.
-
Die zweite Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einer vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit Motorsteuerung und mindestens einem Abgasturbolader, der eine in einem Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen in einem Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfaßt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Motorsteuerung derart angepaßt ist, dass der Zündzeitpunkt αZ bei einem Lastsprung Δpme ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Zündzeitpunkt αZ,opt nach spät verschoben wird und zwar über einen Zündzeitpunkt αZ,knock hinaus, wobei αZ,knock der früheste zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung erforderliche Zündzeitpunkt ist.
-
Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich des Verfahrens gemachten Ausführungen.
-
Entsprechend den unterschiedlichen Verfahrensvarianten ergeben sich verschiedene Ausführungsformen für die Brennkraftmaschine.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Direkteinspritzung zum Einbringen des Kraftstoffes vorgesehen ist.
-
Wie bereits eingangs erwähnt, ist man bemüht, die Drosselverluste beim ottomotorischen Arbeitsverfahren zu senken, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, beispielsweise durch Verwendung eines variablen Ventiltriebs.
-
Bei Ottomotoren bzw. fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum ebenfalls eine geeignete Maßnahme, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, weshalb die Entwicklung direkteinspritzender Ottomotoren zunehmend an Bedeutung gewinnt.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Zündvorrichtung zur Einleitung einer Fremdzündung mittels Motorsteuerung vorgesehen ist.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1a, 1b, 1c und 1d näher beschrieben.
-
Hierbei zeigen für eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine:
-
1a in einem Diagramm den Zündwinkel αZ über der Zeit t während eines Lastsprungs bei n = 1.500 min–1,
-
1b in einem Diagramm den effektiven Mitteldruck pme über der Zeit t während eines Lastsprungs bei n = 1.500 min–1,
-
1c in einem Diagramm die Drehzahl nTS des Abgasturboladers über der Zeit t während eines Lastsprungs bei n = 1.500 min–1, und
-
1d in einem Diagramm den Ladedruck pcompressor über der Zeit t während eines Lastsprungs bei n = 1.500 min–1.
-
Die 1a bis 1d zeigen jeweils in Gestalt eines Diagramms den Verlauf eines bestimmten Betriebsparameters der Brennkraftmaschine über der Zeit t und zwar während eines Lastsprungs Δpme bei n = 1.500 min–1. Auf der Ordinate ist jeweils der betreffende Betriebsparameter aufgetragen und entlang der Abszisse die Zeit t.
-
Dargestellt sind die Verläufe von vier Betriebsparametern, nämlich des Zündwinkels αZ, des effektiven Mitteldrucks pme, der Drehzahl nTS des Turboladers und des Ladedrucks pcompressor, wobei sowohl der Verlauf bei Anwendung eines konventionellen Verfahrens (durchgezogene Linie) als auch der Verlauf bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Linie aus nicht ausgefüllten Vierecken) dargestellt ist.
-
1a zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Zündwinkels αZ über der Zeit t, wobei der Zündwinkel αZ ausgehend vom oberen Totpunkt (ZOT) des Verbrennungszyklus aufgetragen ist und eine Verstellung nach spät bzw. früh eine Verstellung in Richtung Expansion bzw. in Richtung der vorangehenden Kompression bedeutet.
-
Gemäß dem konventionellen Verfahren wird der Zündzeitpunkt αZ bei einem Lastsprung ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Zündzeitpunkt αZ,opt nach spät verschoben. Die Zündwinkelverstellung ΔαZ fällt vergleichsweise klein aus, denn nach dem Stand der Technik soll eine klopfende Verbrennung sicher vermieden werden. Daher wird der Zündzeitpunkt αZ nicht über einen Zündzeitpunkt αZ,knock hinaus nach spät verschoben, welcher der früheste zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung erforderliche Zündzeitpunkt ist. Die Zündung wird anfangs unverändert in der Kompressionsphase eingeleitet und erst gegen Ende des Lastsprungs kurz nach Überschreiten des oberen Totpunkts (ZOT), d. h. in die Expansionsphase verlegt.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zündzeitpunkt αZ ausgehend von einem hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten und in der Kompressionsphase liegenden Zündzeitpunkt αZ,opt bis in die Expansionsphase hinein nach spät verschoben und zwar sprunghaft. Die Zündung in der Expansionsphase stellt sicher, dass die durch die Verbrennung des Kraftstoffes freigesetzte Energie primär zur Steigerung der Abgasenthalpie genutzt wird.
-
Die Zündwinkelverstellung ΔαZ fällt im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich deutlicher aus, wobei der Zündzeitpunkt αZ entgegen der herkömmlichen Vorgehensweise über den Zündzeitpunkt αZ,knock hinaus nach spät verschoben wird, ohne dass dem möglichen Auftreten einer klopfenden Verbrennung Rechnung getragen wird bzw. der Zündwinkelverstellung dadurch reglementiert wird. Im weiteren Verlauf nähert sich die Ist-Leistung der Soll-Leistung und die Zündung wird wieder zurückgenommen, d. h. nach früh verstellt, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu realisieren.
-
1b zeigt in einem Diagramm den Verlauf des effektiven Mitteldrucks pme über der Zeit t. Der Einfluß der unterschiedlichen Zündverfahren wird deutlich sichtbar. Bereits nach kurzer Zeit wirkt sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Zündverfahrens vorteilhaft auf den effektiven Mitteldruck pme aus.
-
Die 1c und 1d zeigen in einem Diagramm die Drehzahl nTS des Abgasturboladers bzw. den Ladedruck pcompressor über der Zeit t während des Lastsprungs bei n = 1.500 min–1.
-
Die vorteilhaften Effekte des erfindungsgemäßen Zündverfahrens auf diese beiden Betriebsparameter sind deutlich erkennbar.
-
Dadurch, dass die Zündung und mit dieser die Verbrennung erfindungsgemäß deutlich nach spät verschoben werden, wird die im Rahmen der Verbrennung freigesetzte Energie zu einem größeren Anteil in die Steigerung der Abgasenthalpie investiert als üblich, so dass die Abgase, mit der die Turbine beaufschlagt wird, eine spürbar höhere Enthalpie aufweisen.
-
Die Turbine des Abgasturboladers wird schneller beschleunigt, d. h. die Drehzahl nTS erhöht sich schneller, und die im Rahmen des Lastsprungs angeforderte Leistung wird schneller befriedigt, weil der für die angeforderte Leistung erforderliche Ladedruck pcompressor infolge der gesteigerten Abgasenthalpie schneller aufgebaut wird.
-
Bezugszeichen
-
-
- αZ
- Zündzeitpunkt
- αZ,knock
- früheste zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung erforderliche Zündzeitpunkt
- αZ,opt
- hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierter Zündzeitpunkt
- °KW
- Grad Kurbelwinkel
- n
- Drehzahl der Brennkraftmaschine
- nTS
- Drehzahl des Turboladers
- Δpme
- Lastsprung
- pcompressor
- Ladedruck
- SOI
- Einspritzbeginn, Start of injection
- ZOT
- oberer Totpunkt im Verbrennungszyklus