[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach
einem Sechstakt-Verfahren mit folgender Taktfolge:
- 1.Takt: Ansaugen von Luft in einen Brennraum,
- 2. Takt: Verdichten der Luft und Einspritzen einer ersten Teilmenge von Otto-Kraftstoff
in den Brennraum,
- 3. Takt: Erster Arbeitshub mit vorangegangener erster Zündung des Gemisches, wobei
die erste Zündung durch eine Zündeinrichtung eingeleitet wird,
- 4. Takt: Neuverdichtung des Brennrauminhaltes,
- 5. Takt: Zweiter Arbeitshub mit vorangegangener zweiter Zündung des im Brennraum befindlichen
Kraftstoff-Luftgemisches,
- 6. Takt: Ausschieben der Abgase aus dem Brennraum,
wobei vor der zweiten Zündung eine Einspritzung einer zweiten Teilmenge von Otto-Kraftstoff
erfolgt.
[0002] Aus der DE 34 06 732 A1 ist ein Arbeitsverfahren für Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen
mit innerer Verbrennung bekannt, bei dem die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches
durch eine Zündeinrichtung oder mittels Selbstzündung erfolgt. Das Arbeitstaktverfahren
läuft dabei in sechs Takten mit der folgenden Taktweise ab:
- 1. Takt: Ansaugen,
- 2. Takt: Verdichten und Einspritzen einer Kraftstoffteilmenge,
- 3. Takt: erster Arbeitstakt,
- 4. Takt: Neu verdichten der Abgase, die noch ungebundenen Sauerstoff enthalten und
Einspritzen einer zweiten Kraftstoffteilmenge,
- 5. Takt: Zweiter Arbeitstakt,
- 6. Takt: Ausschieben.
[0003] Dieses Verfahren wird sowohl für den Diesel-Motor, bei dem die Zündung des Kraftstoffes
durch Kompressionszündung erfolgt, als auch für den Otto-Motor, bei dem die Zündung
des Kraftstoffes durch eine Zündeinrichtung erfolgt, beschrieben.
[0004] Die DE 33 17 128 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, welche nach einem Sechstakt-Zyklus
arbeitet. Während eines Einlasshubes wird ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder
eingelassen, welches in einem ersten Kompressionshub komprimiert wird. Im Anschluss
an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches erfolgt ein erster Krafthub.
In einem darauffolgenden zweiten Kompressionshub werden die Verbrennungsprodukte komprimiert.
Am Ende des zweiten Kompressionshubes wird der Zylinderinhalt durch eine Zündkerze
gezündet. Es folgt ein zweiter Krafthub in Folge der Expansion der komprimierten Verbrennungsprodukte
und schließlich ein Auslasshub, währenddessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder
herausgetrieben werden.
[0005] Bei den bekannten Sechstakt-Brennkraftmaschinen liegt zu Beginn des ersten und des
zweiten Arbeitshubes entweder Kompressionszündung von Diesel- oder Fremdzündung von
Otto-Kraftstoff vor.
[0006] Brennkraftmaschinen, welche zumindest teilweise und mit homogener Fremdzündung von
Benzin betrieben werden, benötigen für eine sichere Zündung des Luft-Kraftstoff-Restgasgemisches
hohe Füllungstemperaturen, sowie hohe Restgasmengen.
[0007] Aus der AT 3.135 U ist ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Kraftstoffbetriebenen
Brennkraftmaschine bekannt, deren Motorbetriebsbereich Selbstzündungs- und Fremdzündungsbereiche
aufweist. Während der Teillast wird die Brennkraftmaschine selbstgezündet betrieben,
wobei ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum erzeugt wird und die Verbrennung
durch Selbstzündung dieses Kraftstoffgemisches eingeleitet wird. Das aus dem englischen
Sprachraum als HCCI-Verfahren (Homogenous Charge Compression Ignition) bezeichnete
Verfahren hat besondere Vorteile hinsichtlich der Entstehung von Emissionen. In der
AT 5.140 U wird ein Verfahren beschrieben, mit welchem die Selbstzündung des homogenen
Kraftstoff-Luftgemisches durch den Restgasgehalt im Brennraum gesteuert werden kann.
[0008] Speziell bei niedrigen Drehzahlen und Lasten reicht die Abgastemperatur selbst bei
extrem hohen Restgasmengen allerdings nicht mehr aus, um die Füllung so stark zu erwärmen,
dass eine sichere Selbstzündung erreicht wird. Außerdem wirken sich die längeren Zykluszeiten
bei niedrigen Drehzahlen negativ auf die Füllungstemperaturen aus, da mehr Zeit für
den Wärmeübergang vorhanden ist.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine zu entwickeln, mit welchem einerseits ein hoher
Wirkungsgrad und andererseits niedrige Emissionen erreicht werden können.
[0010] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Einspritzung der zweiten Teilmenge
von Otto-Kraftstoff im dritten Takt, vorzugsweise in der zweiten Hälfte des dritten
Taktes, erfolgt, dass im Brennraum vor der zweiten Zündung ein zumindest annähernd
homogenes Kraftstoff-Luftgemisch gebildet wird und dass die zweite Zündung durch Kompressionszündung
dieses homogenen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt.
[0011] Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das während dem zweiten Takt gebildete Kraftstoff-Luftgemisch
mager und geschichtet ist und einen hohen Luftüberschuss mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis
von λ > 1,5 aufweist. Der Luftüberschuss gewährleistet, dass für die zweite Verbrennung
noch ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht. Speziell bei sehr geringen eingespritzten
Kraftstoffmengen werden durch die magere Schichtverbrennung nur sehr geringe NO
x-Emissionen gebildet. Die Temperatur des verbrannten Gases ist relativ niedrig, aber
hoch genug, um damit eine sichere Selbstzündung im zweiten Verbrennungszyklus zu garantieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch Einstellen der Größe der ersten Teilmenge
des im zweiten Takt eingespritzten Otto-Kraftstoffes die im Anschluss an die zweite
Zündung im fünften Takt stattfindende Verbrennung geregelt wird. Durch einfaches Variieren
der Menge der ersten Einspritzung oder durch Verändern der Aufteilung zwischen erster
und zweiter Einspritzung kann die Zusammensetzung des Verbrennungsgases und somit
die Ausgangsbedingung für die Kompressionszündung verändert beziehungsweise angepasst
werden.
[0012] Darüber hinaus hat die Schichtverbrennung den Vorteil eines sehr hohen Wirkungsgrades.
[0013] Aber auch die homogene Selbstzündung zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad
aus. Speziell hinsichtlich NO
x- und Ruß-Emissionen bietet die Kompressionszündung wesentliche Vorteile. Auch der
Umstand, dass eventuell entstehender Ruß beziehungsweise Kohlenwasserstoffemissionen
aus dem ersten Arbeitszyklus einer weiteren Verbrennung zugeführt und damit verbrannt
werden, wirkt sich positiv auf die Emissionen aus.
[0014] In einer besonders bevorzugten Ausführungsvarianten der Erfindung ist vorgesehen,
dass im Bereich des Überganges zwischen dem dritten und dem vierten Takt eine Druckanpassung
im Brennraum durchgeführt wird. Die Druckniveauregulierung im Brennraum kann für die
Steuerung der Selbstzündung genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Druckanpassung durch ein kurzfristiges Öffnen zumindest eines Hubventils, vorzugsweise
eines Einlassventils durchgeführt wird.
[0015] Dabei dient ein aus dem sechsten und dem ersten Takt bestehender erster Zyklus dem
Gaswechsel, das heißt dem Ausschieben von Abgas, sowie dem Ansaugen von Frischfüllung.
Der zweite Zyklus - zweiter und dritter Takt- besteht aus Kompression, fremdgezündeter,
magerer Schichtverbrennung (SCSI - Stratified Charge Spat Ignition) und Expansion
und bildet den ersten Arbeitszyklus. Das magere Abgas aus diesem ersten Arbeitszyklus
wird nicht ausgeschoben sondern verbleibt im Zylinder und dient als Füllung für den
folgenden dritten Zyklus (vierter und fünfter Takt). Dieser dritte Zyklus ist der
zweite Arbeitszyklus und wird durch eine homogene Kompressionszündung (HCCI) charakterisiert.
Darauf folgt wieder das Ausschieben des Abgases des ersten Zyklus.
[0016] Die niedrigen Ladungswechselverluste und die Kombination der beiden Brennverfahren
SCSI und HCCI, so wie die Tatsache, dass bei diesem Sechstakt-Arbeitsverfahren zwei
Arbeitszyklen einem Ladungswechselzyklus gegenüber stehen, garantieren hohes Verbrauchspotential
bei niedrigsten Emissionen.
[0017] Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.
[0018] Die Figur zeigt die Ventilhübe h der Auslassventile und der Einlassventile, wobei
mit Bezugszeichen 1 der Auslassventilhub und mit Bezugszeichen 2 der Einlassventilhub
bezeichnet ist.
[0019] Die Linie 3 zeigt die Einspritzereignisse in den Brennraum.
[0020] Im unteren Teil des Diagramms ist der Zylinderdruck p über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen.
Diese Kurve ist mit Bezugszeichen 4 bezeichnet.
[0021] Das Arbeitsverfahren weist sechs Takte I, II, III, IV, V, VI auf, wobei jeweils zwei
Takte einem Zyklus A, B, C angehören. Der erste Zyklus A dient dem Gaswechsel und
besteht aus dem Takt VI zum Ausschieben des Abgases und dem Takt I zum Ansaugen von
Luft. Der zweite Zyklus B besteht aus dem Takt II, bei dem die Luft im Zylinder verdichtet
wird und eine erste Teilmenge von Otto-Kraftstoff eingespritzt wird, sowie den Takt
III dem ersten Arbeitshub des Kolbens. Am Ende des Taktes II wird die erste Teilmenge
von Otto-Kraftstoff eingespritzt, wie mit Bezugszeichen 3a angedeutet ist. Gleich
darauf wird am Ende des Taktes II das magere und geschichtete Gemisch durch eine Zündeinrichtung
gezündet, wie durch Bezugszeichen 5 angedeutet ist. Dabei erfolgt eine magere Schichtverbrennung.
Das magere Abgas aus dem ersten Arbeitszyklus B wird nicht ausgeschoben, sondern verbleibt
im Zylinder und dient als Füllung für den darauffolgenden dritten Zyklus C, dem zweiten
Arbeitszyklus. Der zweite Arbeitszyklus weist den Takt IV, während dem der Zylinderinhalt
neu verdichtet wird, und den Takt V, den zweiten Arbeithub des Kolbens, auf.
[0022] In der zweiten Hälfte des Taktes III wird eine zweite Teilmenge von Otto-Kraftstoff
in den Brennraum eingespritzt. Durch diese frühe Einspritzung wird bis zum durch Bezugszeichen
6 angedeuteten Zeitpunkt der zweiten Zündung eine Homogenisierung des Gemisches erreicht.
Die zweite Zündung 6 ist eine Kompressionszündung. Danach erfolgt im Takt VI wieder
das Ausschieben des Abgases.
[0023] Zwischen den beiden Arbeitszyklen B und C kann ein kurzes Öffnen zumindest eines
Einlassventils vorgesehen sein, um das Druckniveau im Zylinder zu regulieren. Dieses
kurze Öffnen des Einlassventils ist mit Bezugszeichen 2a angedeutet. Die Duckanpassung
durch kurzes Öffnen des Einlassventils im Bereich des unteren Totpunktes zwischen
dem Zyklus III und dem Zyklus IV kann für die Steuerung der Selbstzündung genutzt
werden.
[0024] Die magere Schichtverbrennung im Arbeitszyklus B funktioniert mit hohem Luftüberschuss
und produziert speziell bei sehr wenig eingespritztem Kraftstoff sehr geringe NO
x-Emissionen. Auch die Temperatur des verbrannten Gases ist relativ gering, jedoch
aber hoch genug, um damit eine sichere Selbstzündung im folgenden Arbeitszyklus C
zu garantieren. Durch einfaches Variieren der Einspritzmenge kann die Zusammensetzung
des Verbrennungsgases und somit die Ausgangsbedingung für die Kompressionszündung
6 verändert beziehungsweise angepasst werden. Sowohl die Schichtverbrennung als auch
die homogene Selbstzündung zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus.
[0025] Speziell hinsichtlich der NO
x- und Ruß-Emissionen bietet die Kompressionszündung 6 deutliche Vorteile. Auch der
Umstand, dass eventuell entstehender Ruß beziehungsweise Kohlenwasserstoffemissionen
aus dem ersten Arbeitszyklus B einer weiteren Verbrennung zugeführt und damit verbrannt
werden, wirkt sich positiv auf die Emissionen aus.
[0026] Der niedrige Ladungswechselverlust und die Kombination der beiden Brennverfahren,
sowie die Tatsache, dass bei dem beschriebenen Sechstakt-Verfahren zwei Arbeitszyklen
B, C einem Ladungswechselzyklus A gegenüberstehen, garantieren hohes Verbrauchspotential
bei niedrigsten Emissionen.
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem Sechstakt-Verfahren mit
folgender Taktfolge:
- 1.Takt (I): Ansaugen von Luft in einen Brennraum,
- 2. Takt (II): Verdichten der Luft und Einspritzen (3a) einer ersten Teilmenge von
Otto-Kraftstoff in den Brennraum,
- 3. Takt (III): Erster Arbeitshub mit vorangegangener erster Zündung (5) des Gemisches,
wobei die Zündung (5) durch eine Zündeinrichtung eingeleitet wird,
- 4. Takt (IV): Neuverdichtung des Brennrauminhaltes,
- 5. Takt (V): Zweiter Arbeitshub mit vorangegangener zweiter Zündung (6) des im Brennraum
befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches,
- 6. Takt (VI): Ausschieben der Abgase aus dem Brennraum,
wobei vor der zweiten Zündung (6) eine Einspritzung (3b) einer zweiten Teilmenge von
Otto-Kraftstoff erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (3b) der zweiten Teilmenge von Otto-Kraftstoff im dritten Takt (III),
vorzugsweise in der zweiten Hälfte des dritten Taktes (III), erfolgt, dass im Brennraum
vor der zweiten Zündung (6) ein zumindest annähernd homogenes Kraftstoff-Luftgemisch
gebildet wird und dass die zweite Zündung (6) durch Kompressionszündung dieses homogenen
Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des zweiten Taktes (II) ein geschichtetes, mageres Kraftstoff-Luftgemisch
mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis λ > 1,5 gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Überganges zwischen dem dritten und dem vierten Takt (III, IV) eine
Druckanpassung im Brennraum durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanpassung durch ein kurzfristiges Öffnen (2a) zumindest eines Hubventils,
vorzugsweise eines Einlassventils durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellen der Größe der ersten Teilmenge des im zweiten Takt (II) eingespritzten
Otto-Kraftstoffes die im Anschluss an die zweite Zündung (6) im fünften Takt (V) stattfindende
Verbrennung geregelt wird.
1. A method of operating an internal combustion engine with a six-stroke process involving
the following sequence of events:
- 1st stroke (I): air intake into the combustion chamber,
- 2nd stroke (II): compression of the air and injection (3a) of a first fraction of gasoline
fuel into the combustion chamber,
- 3rd stroke (III): first working stroke after first ignition (5) of the mixture, said
ignition (5) being initiated by an ignition device,
- 4th stroke (IV): new compression of the contents of the combustion chamber,
- 5th stroke (V): second working stroke after second ignition (6) of the fuel-air mixture
contained in the combustion chamber,
- 6th stroke (VI): expulsion of the exhaust gases from the combustion chamber,
a second fraction of gasoline fuel being injected (3b) prior to the second ignition
(6),
characterized in that the second fraction of gasoline is injected (3b) during the third stroke (III), preferably
during the second half of the third stroke (III), that an at least almost homogeneous
fuel-air mixture is formed in the combustion chamber prior to the second ignition
(6) and that the second ignition (6) occurs by compression ignition of said homogeneous
fuel-air mixture.
2. The method according to claim 1, characterized in that a stratified, lean fuel-air mixture having an air/fuel ratio of λ > 1.5 is formed
during the second stroke (II).
3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure in the combustion chamber is adjusted in the region of the transition
between the third and the fourth stroke (III, IV).
4. The method according to claim 3, characterized in that the pressure is adjusted by briefly opening (2a) at least one lift valve, preferably
one intake valve.
5. The method according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the combustion taking place during the fifth stroke (V) subsequent to the second
ignition (6) is controlled by adjusting the quantity of the first fraction of gasoline
fuel injected during the second stroke (II).
1. Procédé de gestion d'un moteur à combustion interne fonctionnant selon le procédé
à six temps, avec l'ordre suivant des temps :
1 temps (I) : aspiration de l'air dans la chambre de combustion,
2 temps (II) : compression de l'air et injection (3a) d'une première dose partielle
de carburant de moteur à essence dans la chambre de combustion,
3 temps (III) : première course de travail précédée d'un premier allumage (5) du mélange,
l'allumage (5) étant assuré par une installation d'allumage,
4 temps (IV) : nouvelle compression du contenu de la chambre de combustion,
5 temps (V) : seconde course de travail précédée d'un second allumage (6) du mélange
air-carburant de la chambre de combustion,
6 temps (VI) : expulsion des gaz d'échappement de la chambre de combustion,
selon lequel, avant le second allumage (6) on injecte (3b) une seconde dose partielle
de carburant de moteur à essence,
caractérisé en ce que
l'injection (3b) de la seconde dose partielle de carburant de moteur à essence se
fait dans le troisième temps (III), de préférence dans la seconde moitié du troisième
temps (III),
dans la chambre de combustion, avant le second allumage (6), on forme au moins approximativement
un mélange air/ carburant homogène et
on effectue le second allumage (6) par un allumage par compression de ce mélange air-carburant
homogène.
2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
pendant le second temps (II) on forme un mélange air-carburant maigre, stratifié,
avec un coefficient air-carburant λ > 1,5.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
dans la zone de la transition entre le troisième et le quatrième temps (III, IV) on
effectue une adaptation de la pression dans la chambre de combustion.
4. Procédé selon la revendication 3,
caractérisé en ce qu'
on effectue l'adaptation de la pression par une ouverture brève (2a) d'au moins une
soupape à levée, de préférence d'une soupape d'admission.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 ,
caractérisé en ce que
par le réglage de la quantité correspondant à la première dose partielle du carburant
à essence injectée dans le second temps (II), on régule la combustion qui se produit
dans le cadre du second allumage (6) pendant le cinquième temps (V).