Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Vier-Takt-Zylinder mit kontrollierter Selbstzündung und Funkenzündung, wobei der Vier-Takt-Zylinder zumindest in einem kontrollierten Selbstzündungsmodus betreibbar ist, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

[0002] Der Verbrennungsmotor ist zum Beispiel ein Ottomotor mit einem oder mehreren Vier-Takt-Zylindern. Ottomotoren werden hauptsächlich mit einer stoichiometrischen Mischung betrieben, die eine Nachbehandlung von Abgasen ermöglichen. Der Kraftstoffverbrauchsverlust bei Teillast im Zusammenhang mit einer Drosselung und dem stoichiometrischen Betrieb kann durch einen Magerbetrieb, entweder durch eine homogene oder geschichtete Mischung mittels direkt Einspritzung reduziert werden. In beiden Fällen kann die Stickstoffemission (NOx) mittels konventioneller Drei-Wege-Katalysatoren (TWC) nicht behandelt werden. Aus diesem Grund wurden magere Stickstoffabscheider (LNT) entwickelt, die das magere Zuführgemisch behandeln können. Nachteilig bei diesen LNT basierten Systemen ist, dass diese wesentlich teurer sind als konventionelle TWC.

[0003] Magermotoren mit extrem niedrigen Stickstoffemissionen, die eine teure LNT-Nachbehandlung unnötig machen wurden ebenfalls vorgestellt. Dies wurde durch die kontrollierte Selbstzündung (CAI) in Motoren erreicht, die bezogen auf laufend produzierten Motoren etwas modifiziert wurden. Hierzu wurden zwei Vorschläge veröffentlicht ( Oakley et al. SAE Technical Paper 2001-01-1030 und Law et al. SAE Technical Paper 2001-01-251). Bei beiden Vorschlägen wurde dies erreicht, indem eine Ventilsteuerung benutzt wurde, die bewirkt, dass der Motor einen hohen Gasrückstandsanteil hat.

[0004] Die kontrollierte Selbstzündung in Vier-Takt-Ottomotoren ist eine neue Entwicklung, die mit einem schnell wechselnden Stand der Technik laufend weiterentwickelt wird.

[0005] Die WO 01/46571 und die WO 01/46573 betreffen jeweils ein Verfahren zum Betrieb eines Vier-Takt-Verbrennungsmotors in dem die Verbrennung mit einer Selbstzündung erreicht wird. Zusätzlich weist der Verbrennungsmotor eine Zündkerze zur Funkenzündung auf, um insbesondere bei der ersten Zündung des Verbrennungsmotors das Selbstzündungsverfahren zu ergänzen. Vorzugsweise wird die Selbstzündung lediglich in Teillastbereichen/geringen Drehzahlbereichen eingesetzt, während die Funkenzündung bei Volllastbereichen/hohen Drehzahlbereichen eingesetzt wird.

[0006] Die US2003/0192305 befasst sich mit einem Steuersystem das dazu geeignet ist, eine Verschlechterung der Abgasreinigung während des Überganges der Verbrennung von einer Funkenzündung zu einer Selbstzündung und umgekehrt zu reduzieren. Hierzu umfasst das Steuersystem:

einen Abgaskatalysator ;

einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis Detektor, um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis stromaufwärts des Abgaskatalysators zu bestimmen; und

einen NOx-Detektor,um NOx stromabwärts des Abgaskatalysators zu besimmen.

[0007] Beispielsweise kann während des Selbstzündungsmodus eine Verschlechterung der Verbrennung registriert werden, so dass die Verbrennung sehr schnell aus dem Selbstzündungsmodus zur Funkenzündung ungeschaltet wird. Damit soll eine Verschlechterung der Abgasreinigungsleistung auch während des Selbstzündungsmodus vorgebeugt werden.

[0008] In der US 6,082,342 wird ein Verfahren zur Steuerung der Selbstzündung in Vier-Takt-Motoren offenbart. Der konventionelle Zündfunke wird während des Selbstzündungsbetriebs aufrechterhalten.

[0009] In Zwei-Takt-Ottomotoren ist die CAI Technologie bekannt, und wurde zum Beispiel in Motorrad Motoren angewandt. Um eine CAI zu erreichen, ist aus dieser Erfahrung heraus bekannt, dass hohe interne Abgasrückführungsverhältnisse (interne EGR) und hohe Gemischtemperaturen am Ende eines Verdichtungshubes notwendig sind. Als Ergebnis wurde angenommen, dass zum Erreichen einer CAI in einem Vier-Takt-Motor komplexe Gemischwärmevorrichtungen notwendig sind, welche die Ausregelzeit-Reaktionsfähigkeit des Motors hemmen können.

[0010] Es wurde auch vorgeschlagen, dass ein Vier-Takt CAI-Betrieb möglich sein müsste, indem eine Direkteinspritzung und ein gänzlich variabler Ventiltrieb benutzt wird. Der Ventiltrieb stellt ein frühes Auslassventilschließen (EEVC) und ein spätes Einlassventilöffnen (LIVO) zur Verfügung, um Rückstandsgas in einer Brennkammer mit minimalem Wärmeverlust abzuscheiden.

[0011] Beispielsweise beschreibt die EP 1 201 903 A1 ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsprozesses in einem Vier-Takt Motor, der in zumindest einem Zylinder Mittel für eine Funkenzündung, ein Einlass- und ein Auslassventil aufweist. Von einem Zyklus zum anderen werden die Funkenzündungsmittel aktiviert oder deaktiviert, wobei das Auslassventil von einem frühen Schließen, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, zu einem späten Schließen (näher am oberen Totpunkt) umgestellt wird. Im Übergang von der Funkenzündung zur Kompressionszündung, schließt das Auslassventil wesentlich früher als im vorausgegangen Zyklus, so dass das Kraftstoff-Luftgemisch aufgrund der Restgase aufgeheizt wird.

[0012] Diese Technologie wurde in EU-Projekten weiter untersucht. Das Ford Konsortium (Oakley et al., 2001) und andere (Law et al., 2001) zeigten, dass ein stabiler CAI-Betrieb mit einer Art Nockensteuerung über einen nutzbaren Drehzahl/Lastbereich möglich ist. Dies wurde mit wenig veränderten Motoren mit einer konventionellen Kraftstoffeinspritzung (PFI) und konventioneller Verdichtungsverhältnisse (CR) erreicht.

[0013] Während des CAI-Betriebes kann die Zündung üblicher Weise ausgeschaltet werden. Der CAI-Betrieb erfordert die Einhaltung bestimmter Grenzwerte, wie zum Beispiel einen relativ hohen Restgasanteil und eine bestimmte Temperatur des Gemisches, die von der Gemischzusammensetzung abhängt. Sinken die beispielhaft genannten Faktoren unter den geforderten Grenzwert, kann dies zu einer Fehlzündung führen. Eine Fehlzündung führt dazu, dass der Vier-Takt-Zylinder permanent ausfällt, da die vorgeheizten Restgase für die folgenden Motorzyklen nicht bereitstehen. Einen solchen Fall stellt Figur 1 dar. In Figur 1 sind Zyklen n-4 bis n-1 dargestellt, die einen normalen CAI-Betrieb zeigen. Dieser ist jeweils mit einem dickliniertem Quadrat dargestellt, in dem ein Mischungsverhältnis von frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch und Restgas eingezeichnet ist. Das frische Kraftstoff/LuftGemisch ist dabei schräg schraffiert, wobei das Restgas als Balken gekennzeichnet ist. Sofern die o.g. Grenzwerte unterschritten sind, kommt es zu einer Fehlzündung. Diese ist in Figur 1 mit n bezeichnet. Der Vier-Takt-Zylinder ist weiter im CAI-Betrieb. In den Zyklen n+1 bis n+4 ist deutlich dargestellt, dass der Restgasanteil bezogen auf den frischen Kraftstoff/Luft-Gemisch Anteil immer geringer wird, wobei in den Zyklen n+3 und n+4 kein Restgasanteil mehr vorhanden ist. Dies führt dazu, dass der Vier-Takt-Zylinder ausfällt. Die Zyklen n-1 bis n-4 stellen jeweils einen vor der Fehlzündung durchgeführten Zyklus dar, wobei n+1 bis n+4 jeweils einen auf die Fehlzündung folgenden Zyklus darstellen.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors zur Verfügung zu stellen, der nach einer im CAI-Betrieb auftretenden Fehlzündung weiter betrieben werden kann.

[0015] Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

[0016] Damit wird ein Verbrennungsmotor mit einem Vier-Takt-Zylinder zur Verfügung gestellt, der nach einer im CAI-Betrieb auftretenden Fehlzündung durch Zündung eines auf den der Fehlzündung folgenden Zyklus im Funkenbetrieb wiedergezündet wird und weiter betrieben werden kann.

[0017] Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart und in der zu Figur 2 folgenden Figurenbeschreibung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

schematisch einen üblichen CAI-Betrieb,

Fig. 2

schematisch einen CAI-Betrieb mit einem Wiederzünden in einem Funkenzündungsmodus.

[0018] In Figur 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Vier-Takt-Zylinder mit kontrollierter Selbstzündung (CAI) und Funkenzündung dargestellt, wobei der Vier-Takt-Zylinder zumindest in einem kontrollierten Selbstzündungsmodus betreibbar ist. Figur 2 stellt Zyklen n-4 bis n-1 dar, die einen normalen CAI-Modus mit normaler Zündung und normalem Moment zeigen. Die normale Zündung ist jeweils mit einem dickliniertem Quadrat 1 dargestellt, in dem ein Verhältnis von frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch 2 und Restgas 3 eingezeichnet ist. Das frische Kraftstoff/Luft-Gemisch 2 ist dabei schräg schraffiert, wobei das Restgas 3 als Balken gekennzeichnet ist. Der CAI-Modus erfordert die Einhaltung bestimmter Grenzwerte, wie zum Beispiel einen relativ hohen Gasrückstandsanteil und eine bestimmte Temperatur des Gemisches. Sofern die bestimmten Grenzwerte unterschritten sind, kommt es zu einer Fehlzündung. Die Fehlzündung ist in Figur 2 mit n (Pfeil 4) bezeichnet. Die Zeit ist mittels des Pfeils 5 dargestellt.

[0019] In einem Zyklus n+1 ist deutlich dargestellt, dass der Restgasanteil 3 bezogen auf den frischen Kraftstoff/Luft-Gemisch Anteil 2 geringer ist. In dem Zyklus n+1 wird der Vier-Takt-Zylinder mittels Funkenzündung wiedergezündet. In dem Zyklus n+2 kehrt der Vier-Takt-Motor wieder in den CAI-Modus zurück. Der Vier-Takt-Zylinder läuft in dieser Betriebsart weiter, wie aus den Zyklen n+3 und n+4 deutlich hervorgeht.

[0020] Die Zyklen n-1 bis n-4 stellen jeweils einen vor der Fehlzündung vorhergehenden Zyklus dar, wobei n+1 bis n+4 jeweils einen auf die Fehlzündung folgenden Zyklus darstellen.

[0021] Der Vier-Takt-Zylinder wird bei moderaten Last- und Motorendrehzahlen betrieben, wobei ein erheblicher Anteil von Rückstandsgas 3 aus dem vorhergehenden Zyklus abgeschieden oder zurückgeführt wird, wodurch die CAI initiiert wird.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Vier-Takt-Zylinder mit kontrollierter Selbstzündung und Funkenzündung, wobei der Vier-Takt-Zylinder zumindest in einem kontrollierten Selbstzündungsmodus betreibbar ist, wobei der Vier-Takt-Zylinder nach einer im kontrollierten Selbstzündungsmodus auftretenden Fehlzündung in dem auf die Fehlzündung folgenden Zyklus in einem Funkenzündungsmodus, indem mehr Kraftstoff in den Vier-Takt-Zylinder eingespritzt wird, wiedergezündet wird
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündung während des kontrollierten Selbstzündungsmodus angeschaltet bleibt, und wobei der Vier-Takt-Zylinder nach der Wiederzündung, also nach dem Funkenzündungsmodus, in dem direkt auf den Zyklus im Funkenzündungsmodus folgenden Zyklus in den kontrollierten Selbstzündungsmodus zurückkehrt und in diesem weiterbetrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine derart gewählte Vorzündungseinstellung, dass die Zündung derart optimiert wird, dass im Falle der Funkenzündung das gleiche Motormoment erreicht wird, wie im CAI-Betrieb.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Wiederzündungszyklus im Falle der Ausführung des Motors mit Direkteinspritzung eine geschichtete Einspritzung des Kraftstoffes kurz vor der Zündung erfolgt.

Claims

1. Method for operating an internal combustion engine having at least one four-stroke cylinder with controlled auto-ignition and spark ignition, it being possible for the four-stroke cylinder to be operated at least in a controlled auto-ignition mode, wherein after a misfire occurring in the controlled auto-ignition mode, the four-stroke cylinder is re-ignited, in the cycle following the misfire, in a spark-ignition mode by virtue of more fuel being injected into the four-stroke cylinder,
characterized in that
the ignition remains activated during the controlled auto-ignition mode, wherein after the re-ignition, that is to say after the spark-ignition mode, the four-stroke cylinder is returned into the controlled auto-ignition mode, and continues to be operated in said mode, in the cycle directly following the cycle in the spark-ignition mode.

2. Method according to Claim 1,
characterized by
a pre-ignition setting selected such that the ignition is optimized in such a way that the same engine torque is obtained in the case of spark ignition as in CAI operation.

3. Method according to Claim 1 or 2,
characterized in that
in the re-ignition cycle, in the case of the engine having direct injection, a stratified injection of the fuel takes place shortly before the ignition.

Revendications

1. Procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre à quatre temps avec auto-allumage contrôlé et allumage par étincelle, dans lequel le cylindre à quatre temps peut fonctionner au moins dans un mode d'auto-allumage contrôlé, le cylindre à quatre temps, après un raté d'allumage se produisant dans le mode d'auto-allumage contrôlé, étant à nouveau allumé dans le cycle suivant le raté d'allumage, dans un mode d'allumage par étincelle dans lequel plus de carburant est injecté dans le cylindre à quatre temps,
caractérisé en ce que
l'allumage pendant le mode d'auto-allumage contrôlé reste branché, et le cylindre à quatre temps, après le réallumage, c'est-à-dire après l'allumage en mode d'allumage par étincelle, revenant dans le mode d'auto-allumage contrôlé et continuant d'être commandé ensuite dans celui-ci dans le cycle suivant directement le cycle en mode d'allumage par étincelle.

2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé par
un ajustement de pré-allumage sélectionné de telle sorte, que l'allumage soit optimisé de telle sorte que dans le cas de l'allumage par étincelle, on obtienne le même couple du moteur qu'en mode d'auto-allumage contrôlé.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
dans le cycle de réallumage, dans le cas de la réalisation du moteur avec une injection directe, une injection stratifiée du carburant a lieu juste avant l'allumage.

Zeichnung