DE10204407A1 - Verfahren zum Betreiben einer mit benzinähnlichen Kraftstoffen, insbesondere Benzin, betriebenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit benzinähnlichen Kraftstoffen, insbesondere Benzin, betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich, vorzugsweise im Teillastbereich, die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches durch Selbstzündung eingeleitet wird und wobei vorzugsweise im höheren Lastbereich im Brennraum eine geschichtete Ladung erzeugt wird. Um bei einer Brennkraftmaschine für Kraftstoffe niedriger Selbstzündungswilligkeit auch im Bereich höherer Mitteldrücke auf möglichst einfache Weise hohe Abgasqualität zu erreichen, ist vorgesehen, dass auch im Volllastbereich die Verbrennung durch Selbstzündung des Kraftstoffes eingeleitet wird und dass vorzugsweise die Ladungstemperatur im Zylinder im gesamten Lastbereich durch innere Abgasrückführung gesteuert wird und dass die Einspritzung des Kraftstoffes im Volllastbereich nach dem oberen Zünd-Totpunkt beginnt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit benzinähnlichen Kraftstoffen, insbesondere Benzin, betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zu­ mindest in einem Motorbetriebsbereich, vorzugsweise im Teillastbereich, die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches durch Selbstzündung eingeleitet wird, und wobei vorzugsweise im höheren Lastbereich im Brennraum eine geschichtete La­ dung erzeugt wird.

Unter benzinähnlichen Kraftstoffen sind neben Benzin auch andere Gemische von Kohlenwasserstoffen, Gase, aus Erdgas hergestellte flüssige Kohlenwasserstoffe sowie Alkohole zu verstehen.

Aus der Veröffentlichung "Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) of Diesel Fuel", Allen W. Gray et al., SAE 971676, ist es bekannt, dass bei der Verbrennung eines durch Selbstzündung entflammten mageren Kraftstoff- Luftgemischs wegen der homogenen Konzentrations- und Temperaturverteilung äußerst niedrige Emissionswerte für NOx und Ruß erzielt werden.

Weiters ist bekannt, dass Dieselkraftstoff bei diesem Verbrennungsverfahren Schwierigkeiten bereitet, da der Zeitpunkt der Entflammung wegen seiner hohen Zündwilligkeit nur bei niedrigem Verdichtungsverhältnis und niedriger Motorlast in erwünschter Weise kurz vor dem oberen Totpunkt fixiert werden kann. Das erforderliche niedrige Verdichtungsverhältnis führt zu erheblichen Nachteilen ge­ genüber dem konventionellen Dieselverfahren hinsichtlich des spezifischen Kraft­ stoffverbrauchs, die zusammen mit der geringen erreichbaren Leistungsausbeute die breite Nutzung diese an sich sehr emissionsgünstigen Verfahrens bisher ver­ hindert haben.

Als weitere dieselkraftstoffspezifische Schwierigkeit ist die für die Verdampfung und damit für die Homogenisierung der Zylinderladung hinderliche Lage des Sie­ debereichs zwischen etwa 170°C und 360°C anzusehen, die zu hohen Emissionen von NOx, Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen führen kann und die Ge­ fahr der Anreicherung von Dieselkraftstoff im Schmieröl mit sich bringt.

Benzin hat für das HCCI-Verfahren wegen seiner sehr niedrigen Selbstzündungs­ willigkeit und des niedriger liegenden Siedebereichs zwischen etwa 30°C und 190°C große Vorteile. Das Verdichtungsverhältnis kann hier, ähnlich wie beim Dieselmotor, auf Werte von etwa 15 bis 17 angehoben werden. Der erreichbare indizierte Mitteldruck ist hier zwar höher als mit Dieselkraftstoff, aber immer noch auf den Teillastbereich beschränkt, wie zum Beispiel aus der Veröffentli­ chung "An Experimental Study on Premixed-Charge Compression Ignition Gasoli­ ne Engine", Taro Aoyama et al., SAE 960081, hervorgeht. Eigene Untersuchun­ gen haben einen maximalen indizierten Mitteldruck von etwa 7 bis 8.5 bar erge­ ben. Um den ganzen Betriebsbereich bis über 20 bar abdecken zu können, ist somit ein zweites hochlastfähiges Verbrennungssystem erforderlich.

Für dieses zweite Verbrennungsverfahren wird in der AT 003 135 U1 ein fremd­ gezündetes Schichtladeverfahren (abgekürzt SCSI-Verfahren von Stratified Charge Spark Ignition) vorgeschlagen.

Weiters kommt als zweites Verbrennungsverfahren ein konventionelles stöchio­ metrisches Verfahren mit Fremdzündung, X-Sonde und Dreiweg-Katalysator (ab­ gekürzt HCSI-Verfahren von Homogeneous Charge Spark Ignition) in Betracht. Das HCSI-Verfahren erfordert ein Verdichtungsverhältnis von etwa 10, was be­ deutet, dass beim Übergang von niedriger Last auf hohe Last das Verdichtungs­ verhältnis von etwa 16 (HCCI) auf etwa 10 (HCSI) abgesenkt werden muss. Dies ist nur mit erheblichem konstruktivem Aufwand möglich. Mit diesem Verfahren sind hohe indizierte Mitteldrücke bis über 20 bar möglich.

Das erwähnte SCSI-Verfahren arbeitet mit einem dieselmotorähnlich hohen Ver­ dichtungsverhältnis von ebenfalls etwa 16, was den Vorteil bietet, dass im Falle der Kombination des HCCI-Verfahrens (niedrige Last) mit dem SCSI-Verfahren (hohe Last) das Verdichtungsverhältnis nicht geändert werden muss. Damit ist im höheren Lastbereich im Vergleich zum HCSI-Verfahren zusätzlich der Vorteil eines höheren thermischen Wirkungsgrades verbunden. Eigene Untersuchungen haben für das SCSI-Verfahren einen maximalen indizierten Mitteldruck von etwa 12 bar ergeben.

Ein wichtiges Verfahrensprinzip beim SCSI-Verfahren besteht darin, dass der Zündverzug für die Selbstzündung - auch unterstützt durch das reaktionsverzö­ gernde Mittel der Abgasrückführung - deutlich länger wäre als bei einem direkt­ einspritzenden Dieselmotor. Mit der Fremdzündung kann nun der Entflammungs­ beginn innerhalb des genannten Zündverzugs frei gewählt werden. Durch die damit mögliche relativ lange, jedoch exakt steuerbare Gemischaufbereitungszeit zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn kann die Rußemission gegen­ über einem direkteinspritzenden selbstzündenden Verbrennungsverfahren deut­ lich gesenkt werden.

Es zeigt sich, dass es bei noch höheren Mitteldrücken wegen des steigenden Temperaturniveaus zunehmend schwieriger wird, die spontane Selbstzündung vor dem erwünschten Verbrennungsbeginn zu unterdrücken. Dazu wäre eine wir­ kungsgradschädliche und wie erwähnt konstruktiv aufwendige Absenkung des Verdichtungsverhältnisses und eine bereits wieder rußsteigernde noch höhere Abgasrückführungsrate erforderlich, womit der Sinn der langen Gemischaufberei­ tungszeit verlorenginge.

Die US 5,535,716 A beschreibt eine selbstzündende, mit Benzin betriebene Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff indirekt in einen Einlasskanal eingespritzt wird.

Aus der DE 20 31 455 A ist eine selbstzündende luftverdichtende Brennkraftma­ schine für den Betrieb mit zündunwilligen Brennstoffen bekannt. Über ein Steu­ erorgan wird eine Teilmenge des Abgases aus der Abgasleitung in die Einlasslei­ tung extern rückgeführt.

Aus der DE 198 18 596 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Viertakt- Brennkraftmaschine mit einem homogenen, mageren Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas sowie mit Kompressionszündung und direkter Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum bekannt. Die Brennkraftma­ schine wird bei Teillast mit Kompressionszündung und mechanisch gesteuerter Abgasrückhaltung betrieben. Bei Volllast und hohem Teillastbereich erfolgt der Betrieb dagegen Otto-motorisch.

Aus der EP 1 048 833 A2 ist es bekannt, innere Abgasrückführung zur Steuerung der Verbrennung bei einer selbstgezündeten oder fremdgezündeten Brennkraft­ maschine einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile im Bereich hoher Mittel­ drücke zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine für Kraftstoffe niedriger Selbstzündungswilligkeit auch im Bereich höherer Mitteldrücke auf möglichst ein­ fache Weise hohe Abgasqualität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu errei­ chen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass auch im Volllastbereich die Verbrennung durch Selbstzündung des Kraftstoffes eingeleitet wird und dass vor­ zugsweise die Ladungstemperatur im Zylinder im gesamten Lastbereich durch innere Abgasrückführung gesteuert wird, und dass die Einspritzung des Kraftstof­ fes im Volllastbereich nach dem oberen Zünd-Totpunkt beginnt. Unter Volllastbe­ reich ist hier ein die Volllastlinie beinhaltender Bereich mit hoher Last ab einem vordefinierten Grenzwert für den indizierten Mitteldruck zu verstehen. Der bei Benzin gegenüber Dieselkraftstoff längere Zündverzug kann zwar durch eine An­ hebung der Ladungstemperatur und zusätzlich durch Piloteinspritzung verkürzt werden, aber nicht in ausreichendem Maße. Um eine weitere Verkürzung des Zündverzuges zu erreichen, wird der Kraftstoff bei Volllast erst ab dem oberen Zünd-Totpunkt eingespritzt, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass im Voll­ lastbereich die gesamte Kraftstoffmenge innerhalb des Bereiches des Zündverzu­ ges eingespritzt wird. Somit wird die Brennkraftmaschine bei Volllast nach dem Selbstzündungsverfahren mit Selbstzündung einer geschichteten, das heißt hete­ rogenen Ladung betrieben (abgekürzt SCCI-Verfahren von Stratified Charge Compression Ignition). Das Verfahren kann gegenüber dem Dieselverfahren mit Dieselkraftstoff von der niedrigeren Rußbildungsneigung von Benzin profitieren und hat gegenüber dem stöchiometrischen Verfahren den durch das hohe Ver­ dichtungsverhältnis begründeten Vorteil des höheren Wirkungsgrades, was die Kombination HCCI bei niedrigen Lasten und SCCI bei höheren Lasten besonders für Nutzfahrzeugmotoren interessant macht.

Im Vergleich mit der erwähnten Kombination von HCCI-Betrieb und HCSI-Betrieb weist diese Brennkraftmaschine eine Reihe von vom Dieselmotor her bekannten Merkmalen auf. Das Verdichtungsverhältnis beträgt zwischen etwa 15 und 19, vorzugsweise zwischen 16 bis 18, wodurch der effektive Wirkungsgrad mit dem eines Dieselmotors vergleichbar ist. Im Gegensatz zu der Kombination von HCCI und HCSI kann auf ein variables Verdichtungsverhältnis verzichtet werden. Als maximale effektive Mitteldrücke können Werte in derselben Größenordnung, also etwa von 25 bar erwartet werden.

Die Verbrennung erfolgt wie beim Dieselmotor immer mit Luftüberschuss, was sich ebenfalls positiv auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch auswirkt.

Um besonders günstige Ruß- und NOx-Werte zu erreichen, ist es besonders vor­ teilhaft, wenn im Teillastbereich ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff- Luftgemisch erzeugt wird. Die Steuerung der Verbrennung erfolgt für beide Teil­ verfahren (HCCI und SCCI) durch zykluszugeordnete Ladungstemperatursteue­ rung. Eine derartige Steuerung der Verbrennung über den Ladungstemperatur­ verlauf wurde in der Österreichischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 727/2000 der Anmelderin vorgeschlagen. Die Ladungstemperatursteuerung kann dabei un­ ter anderem vorteilhafterweise durch Abgasrücksaugung während des Ansaug­ takts durch Nachöffnen des Auslassventils erfolgen.

Zumindest im höheren Lastbereich kann der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt werden, wobei allerdings der Einspritzdruck niedriger sein kann als beim Dieselmotor. Im Teillastbereich kann es dagegen zur Erzielung einer guten Homogenisierung vorteilhaft sein, den Kraftstoff in das Saugrohr einzuspritzen.

Für die bei der Umschaltung zwischen homogenem und geschichtetem Betrieb notwendige Umstellung der Gemischbildungsmethode kann entweder von Saug­ rohreinspritzung auf direkte Einspritzung umgeschaltet werden oder bei durchge­ hender direkter Einspritzung eine Einspritzanlage mit variablem Einspritzdruckni­ veau und/oder eine Einspritzdüse mit zwei Spritzlochkonfigurationen verwendet werden.

Mittels gekühlter Abgasrückführung kann eine Temperaturgrundeinstellung bei HCCI-Betrieb und eine NOx-Reduktion bei SCCI-Betrieb durchgeführt werden.

Die Figur zeigt ein schematisches Diagramm, in welchem der indizierte Mittel­ druck p_i über der Drehzahl n aufgetragen ist. Die Umschaltung zwischen dem HCCI-Betrieb und dem SCCI-Betrieb erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit des indizierten Mitteldrucks p_i, bzw. auch der Kraftstoffmenge pro Arbeitszyklus, wie in der Figur veranschaulicht ist. Unter einem vordefinierten Grenzwert p_i,0, welcher zwischen 4 und 9 bar, vorzugsweise zwischen 6 und 9 bar, besonders vorzugsweise zwischen 7 und 8,5 bar liegt, befindet sich der HCCI-Bereich und oberhalb des Grenzwerts P_i,0 der SCCI-Bereich.

Die Kombination von HCCI- und SCCI-Verfahren macht zudem auch deshalb Sinn, weil der Gedanke, Kraftstoffe niedriger Selbstzündungswilligkeit im gesam­ ten Lastbereich nach dem konventionellen Dieselverfahren zu verarbeiten, allge­ mein schwierig zu realisieren ist. Der Grund liegt in der Tendenz zu unvollständi­ ger Verbrennung bei Teillast, das heißt bei niedrigen Bauteil- und Ladungstempe­ raturen.

Bei Verzicht auf das HCCI-Verfahren mit dessen vorzüglichen Emissionsdaten hinsichtlich Ruß und NOx bei Teillast ist die genannte Variante des konventionel­ len Dieselverfahrens im gesamten Lastbereich jedoch bei Anwendung für Nutz­ fahrzeugmotoren durchaus interessant. Die genannten Nachteile können - wie auch für das HCCI-Verfahren erforderlich - durch Anhebung des Ladungstempe­ raturniveaus durch Abgasrücksaugung verringert werden. Dieser Verzicht ist bei Nutzfahrzeugmotoren dadurch zu rechtfertigen, dass dort der Anteil der Niedrig­ lastemissionen am Zyklusergebnis vergleichsweise gering ist. Ein bedeutsamer Vorteil dieser Lösung, also der rein dieselmotorische Betrieb mit benzinähnlichen Kraftstoffen im gesamten Drehzahl- und Lastbereich, liegt darin, dass damit die Schwierigkeiten bei der Steuerung von Verbrennungsbeginn und Brennrate bei HCCI-Betrieb wegfallen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer mit benzinähnlichen Kraftstoffen, insbesondere Benzin, betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbe­ triebsbereich, vorzugsweise im Teillastbereich, die Zündung des Kraftstoff- Luftgemisches durch Selbstzündung eingeleitet wird, und wobei vorzugsweise im höheren Lastbereich im Brennraum eine geschichtete Ladung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auch im Volllastbereich die Verbrennung durch Selbstzündung des Kraftstoffes eingeleitet wird und dass vorzugsweise die Ladungstemperatur im Zylinder im gesamten Lastbereich durch innere Abgasrückführung gesteuert wird, und dass die Einspritzung des Kraftstoffes im Volllastbereich nach dem oberen Zünd-Totpunkt beginnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbe­ reich die gesamte Kraftstoffmenge innerhalb des Bereiches des Zündverzuges eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Teil­ lastbereich ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch er­ zeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zumindest im höheren Lastbereich direkt in den Brenn­ raum eingespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff im unteren Lastbereich in das Saugrohr eingespritzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbereich im Brennraum eine geschichtete Ladung erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kaltstart unterhalb einer vordefinierten Umgebungstemperatur die Entflammung des Kraftstoffs durch eine Glühkerze eingeleitet wird.