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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter
Selbstzündung.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät zur Durchführung des
Verfahrens.
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Beim
Betrieb einer Brennkraftmaschine im HCCI-Modus (Homogenous Charge
Compression Ignition), der manchmal auch als CAI (Controlled Auto Ignition),
ATAC (Active Thermo Atmosphere Combustion) oder TS (Toyota Soken)
bezeichnet wird, erfolgt die Entzündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches nicht
durch Fremdzündung,
sondern durch kontrollierte Selbstzündung. Der HCCI-Verbrennungsprozess
kann beispielsweise durch einen hohen Anteil an heißen Restgasen
und/oder durch eine hohe Verdichtung und/oder eine hohe Eintrittslufttemperatur hervorgerufen
werden. Voraussetzung für
die Selbstzündung
ist ein ausreichend hohes Energieniveau im Zylinder. Im HCCI-Modus
betreibbare Brennkraftmaschinen, bei denen es sich sowohl um Otto-
als auch Dieselmotoren handeln kann, sind bekannt, siehe z.B.
US 6,260,520 ,
US 6.390,054 ,
DE 199 27 479 und WO 98/10179.
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Die
HCCI-Verbrennung hat gegenüber
einer herkömmlichen
fremdgezündeten
Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs und
geringerer Schadstoffemissionen. Allerdings ist die Regelung des
Verbrennungsprozesses und insbesondere die Steuerung der Selbstzündung des
Gemisches nicht einfach. So bedarf es einer Regelung von den Verbrennungsprozess
beeinflussenden Stellgrößen für z.B. die
Kraftstoffeinspritzung (Einspritzmenge bzw. Einspritzzeitpunkt und
-dauer), interne oder externe Abgasrückrückführung, Einlass- und Auslassventile
(variable Ventilsteuerung), Abgasgegendruck (Abgasklappe), ggf.
eine Zündunterstützung, Lufteintrittstemperatur,
Kraftstoffqualität
und Verdichtungsverhältnis
(bei Brennkraftmaschinen mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis).
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Aus
dem Stand der Technik sind für
Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung Ansätze zum Erzeugen einer selbstzündfähigen Benzin-Luft-Gemischladung
bekannt, bei denen ein Benzin-Luft-Gemisch von dem Kolben der Brennkraftmaschine
angesaugt wird und unter Einbeziehung von Zusatzmassnahmen, die
der Aufheizung des Gemisches in dem Brennraum dienen, zur Selbstzündung zu
bringen.
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Als
Zusatzmassnahmen zum Aufheizen des Gemisches sind bekannt:
- 1. Variation der Füllung des Brennraums über einen
variablen Ventiltrieb. Ab einer definierten Luftmenge, die über die Öffnungszeiten
der Einlassventile beeinflusst werden kann, erhitzt sich das komprimierte
Benzin-Luftgemisch. Diese Massnahme weist jedoch Hub- zu-Hub Streuungen
der jeweiligen Einzelzylinder auf, sowie zylinderindividuelle Abweichungen
einer Brennkraftmaschine. Ausserdem können die Brennbeginne der jeweiligen
Arbeitszyklen und der einzelnen Zylinder nur schwer kontrolliert
werden.
- 2. Hohe Abgasrückführungsrate.
Durch die Rückführung heisser
Abgase in den Brennraum kann die Temperatur des in dem Brennraum
eingeschlossenen Kraftstoff- Brennluft-Gemisches vor dem Einsetzen
der Verbrennung deutlich erhöht werden.
Die eigentliche Verbrennungstemperatur während der Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches
wird durch die Abgasrückführung jedoch verringert,
da durch das Abgas der Sauerstoffgehalt in dem Brennraum reduziert
wird. Dadurch wird die Stickoxidemission verringert. Das Abgas dient
als Inertgas, durch das die Temperatur der Brennluft erhöht wird
und das sich zwar während der
Verbrennung in dem Brennraum befindet, an der eigentlichen Verbrennungsreaktion
jedoch kaum beteiligt ist. Der Nachteil dieser Massnahme besteht
darin, dass die geeignete Abgasmenge nur schwer zu steuern ist.
Es handelt sich um eine träges
System, das Hubzu-Hub Streuungen und eine ungleichmässige Verteilung
auf die Brennräume
aller Zylinder aufweist.
- 3. Aufladung der Brennluft. Durch die Aufladung wird die Brennluft
verdichtet und ihre Temperatur erhöht. Nachteilig ist jedoch auch
bei dieser Massnahme, dass es sich um ein relativ träges System
handelt, das Füllungsunterschiede
in den Brennräumen
der einzelnen Zylinder aufweist.
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Nachteilig
an bekannten Verfahren nach Stand der Technik ist, dass sich die
Parameter für
die kontrollierte Selbstzündung,
insbesondere die Gastemperatur im Brennraum, während des Verdichtungstaktes
nur unzureichend steuern und regeln lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, in kontrollierter
Selbstzündung,
wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlaßventil
und mindestens ein Auslaßventil,
deren Öffnungszeiten
veränderbar
sind, umfasst, sowie eine regelbare Abgasrückführung umfasst und wobei ein
zündfähiges Gemisch,
das Restgas enthält,
in dem Brennraum in einem Verdichtungstakt verdichtet wird, wobei
das Gasgemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes selbstzündet, wobei
das Restgas durch interne und externe Abgasrückführung in den Brennraum gelangt
bzw. dort verbleibt. Das zündfähige Gemisch
ist üblicherweise
ein Kraftstoff-Restgas-Luft-Gemisch. Die Veränderbarkeit der Öffnungszeiten
des Einlaßventils
und des Auslaßventils werden
insbesondere durch eine so genannte elektrohydraulische Ventilsteuerung
(EHVS) ermöglicht. Hier
sind aber auch andere Verstellungen der Ventilsteuerzeiten, z.B.
durch verstellbare Nockenwellen, möglich. Unter Restgas wird hier
Gas verstanden, das aus einem vorangegangenen Arbeitsryklus in dem
Brennraum verbleibt bzw. wieder in diesen zurückbefördert wird. Es handelt sich
hier also um verbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch. Vorzugsweise ist vorgesehen,
dass die Temperatur des Gasgemisches durch die Anteile von Restgas
aus externer und von Restgas aus interner Abgasrückführung an der gesamten Abgasrückführung gesteuert
wird. Das Restgas aus interner Abgasrückführung ist in der Regel deutlich
heißer
als das Restgas aus externer Abgasrückführung. Durch eine entsprechende
Mischung beider Restgase lässt
sich die Temperatur über
weite Bereiche steuern. Mit Hilfe dieser Steuerung wird eine für die kontrollierte
Selbstzündung
optimale Temperatur des Gasgemisches in dem Brennraum während des
Verdichtungstaktes eingestellt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen,
dass durch die externe Abgasrückführung eine
Grundrate der Abgasrückführung, die über mehr
als einen Arbeitszyklus unverändert
bleibt, bereitgestellt wird. Die Grundrate wird nur langsam verändert, es
handelt sich dabei also um eine träge Regelung der Temperatur
des Gasgemisches in dem Verbrennungsraum. Vorzugsweise ist des Weiteren
vorgesehen, dass zu der Grundrate eine Zusatzrate an Restgas aus
interner Abgasrückführung addiert
wird. Die Zusatzrate ist schnell regelbar und kann daher vorzugsweise
zyklustreu gesteuert werden. Mit zyklustreu ist hier gemeint, dass
für jeden
Arbeitszyklus eine unterschiedliche Zusatzrate an Restgas eingestellt
wird.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere einen Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung, wobei
die Brennkraftmaschine einen Brennraum, mindestens ein Einlaßventil
und mindestens ein Auslaßventil,
deren Öffnungszeiten veränderbar
sind, umfasst, sowie eine regelbare Abgasrückführung und ein zündfähiges Gasgemisch, das
Restgas enthält,
in dem Brennraum in einem Verdichtungstakt verdichtet wird, wobei
das Gasgemisch gegen Ende des Verdichtungstaktes selbstzündet, wobei
das Restgas durch interne und externe Abgasrückführung in dem Brennraum gelangt
bzw. verbleibt.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 eine
Skizze eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Diagramm des Brennraumdruckes über
dem Kurbelwellenwinkel;
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3 Öffnungs-
und Schließzeiten
der Gaswechselventile;
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4 Restgasanteile
aus innerer und äußerer Abgasrückführung über der
Zeit.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Anhand
der 1 wird zunächst
das technologische Umfeld der Erfindung beschrieben. Dargestellt
ist ein Zylinder 1 einer ansonsten nicht näher dargestellten
Brennkraftmaschine, die in der Regel aus mehreren Zylindern besteht.
Der Zylinder 1 umfasst einen Brennraum 2, in dem
ein Kolben 3 mit einem Pleuel 4 verschiebbar angeordnet
ist. Das Pleuel 4 ist mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle
verbunden. In den Brennraum 2 mündet ein Einlaß 5 mit einem
Einlaßventil 6.
Des Weiteren mündet
in den Brennraum 2 ein Auslaß 7 mit einem Auslaßventil
AV. Sowohl das Einlaßventil
EV als auch das Auslaßventil
AV werden elektrohydraulisch angesteuert, die Brennkraftmaschine
ist also mit einer so genannten elektrohydraulischen Ventilsteuerung
(EHVS) ausgestattet. Eine elektrohydraulische Ventilsteuerung ermöglicht eine
Ansteuerung der Ventile unabhängig von
der Kurbelwellenstellung. Über
den Einlaß 5 wird Luft
aus der Umgebung in den Brennraum 2 angesaugt. Die Verbrennungsabgase
werden über
den Auslaß 7 wieder
an die Umgebung abgegeben. Eine Abgasrückführung 9 mit einem
Regelventil 10 ermöglicht
eine Rückführung der
Abgase aus dem Auslaß 7 zurück zum Einlaß 5.
Eine derartige Rückführung wird
als äußere Abgasrückführung bezeichnet.
Durch eine geeignete Öffnungszeit
des Auslaßventils
AV, z.B. ein Öffnen
des Auslaßventils
AV während
des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine, kann eine so genannte innere
Abgasrückführung realisiert
werden, indem nämlich
im Ansaugtakt des Zylinders 1 Abgas aus dem Auslaß 7 in
den Brennraum zurückströmt bzw.
zurückgesaugt
wird.
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In
den Brennraum münden
in bekannter Art und Weise eine Zündkerze 11 sowie ein
Injektor 12. Der Injektor 12 ist vorzugsweise
ein piezoelektrischer Injektor oder ein elektrohydraulischer Injektor.
Der Injektor 12 ist über
eine Hochdruckleitung 13 mit einem nicht dargestellten
Hochdruck-Rail der Brennkraftmaschine verbunden. Die Hochdruckleitung 13 führt Kraftstoff
zu dem Injektor 12. Der Injektor 12 wird elektrisch
durch ein Steuergerät 14 angesteuert,
entsprechend werden durch das Steuergerät 14 auch die Zündkerze 11 sowie
das Einlaßventil
EV und das Auslaßventil
AV gesteuert. Statt eines Einlaßventils EV
und eines Auslaßventils
AV können
hier auch mehrere Einlaßventile
EV und mehrere Auslaßventile AV
vorgesehen sein.
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Bei
elektrohydraulischen, nockenwellenlosen Ventilsteuerungen (EHVS),
wie sie z.B. aus der
DE 10127205 und
der
DE 10134644 bekannt
sind, können
Hub- und Steuerzeiten der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine
prinzipiell frei programmiert werden. Die Gaswechselventile sind
hier das Einlaßventil
EV und das Auslaßventil
AV.
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2 zeigt
ein Diagramm des Brennraumdruckes in dem Brennraum 2 der
Brennkraftmaschine über
dem Kurbelwellenwinkel in grad Kurbelwelle (°KW). Über der Ordinate dargestellt
ist ein Kur-belwellenwinkel von –180° bis 540°, über der Abszisse ist der Brennraumdruck
in bar aufgetragen. Mit 0° ist hier
willkürlich
der Obere Totpunkt im Ladungswechsel L-OT gewählt. Der Ladungs-wechsel dient
in bekannter Weise dem Ausstoßen
verbrannter Abgase, dies findet hier zwischen –180° und 0° Kurbelwelle statt, und dem
Ansaugen frischer Umgebungsluft bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches,
dies findet hier im Kurbelwellenwinkelbereich von 0–180° statt. Eine Kurbelwellenumdrehung
weiter, bei 360° Kurbelwelle,
ist der Obere Totpunkt der Zündung
(Zündungs-OT)
erreicht. Zwischen 180° Kurbelwelle
und 360° Kurbel-wellenwinkel
findet der Verdichtungstakt statt, zwischen 360° Kurbelwellenwinkel und 540° Kurbelwellenwinkel
findet die Ex-pansion der verbrennenden Gase statt. Die einzelnen
Takte sind in 2 bezeichnet mit Ausstoßen AU von –180° bis 0°, Ansaugen
AN von 0° bis
180°, Verdichtungstakt (Kompression)
V von 180° bis
360° und
Expansion (Verbrennung) E von 360° bis
540°. Im
Verdichtungstakt V wird das Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch oder
Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch
verdichtet und dabei erhitzt. Das Gemisch wird in der Regel kurz
vor Errei chen des Zündungs-OTs
gezündet.
Dies kann wie beim Ottomotor üblich
durch Fremdzündung
oder gemäß der erfindungsgemäßen Betriebsart
durch eine kontrollierte Selbstzündung
erfolgen. Die Zündung
des Gemisches führt
in bekannter Art und Weise zu einer Druckerhöhung, die im sich daran anschließenden Arbeitstakt
der Ex-pansion E in mechanische Energie umgewandelt wird.
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In 3 ist das Öffnen und Schließen jeweils des
Einlaßventiles
IV sowie des Auslaßventiles
EV dargestellt. Das Auslaßventil
EV wird wie bei einem 4-Takt-Motor üblich im Ausstoßtakt zwischen –180° bis 0° Kurbelwelle
geöffnet,
entsprechend wird das Einlaßventil
IV im Bereich des Ansaugtaktes zwischen 0° Kurbelwelle und 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. In 3 sind vier Fälle dargestellt, die jeweils
unterschiedliche Ventilöffnungsstrategien
repräsentieren.
In 3.1 ist die übliche
Ventilöffnungsstrategie
dargestellt, bei der das Aus-laßventil EV
kurz vor Erreichen des Unteren Totpunktes UT ge-öffnet wird und in etwa bis –90° Kurbelwelle
geöffnet
bleibt. Dadurch verbleibt ein Teil der verbrannten Abgase im Brennraum 26.
Das Einlaßventil
IV wird erst etwa bei 90° Kurbelwellenwin-kel
geöffnet
sobald Druckgleichgewicht zwischen Brennraum 26 und Ansaugtrakt
besteht und verbleibt geöffnet
in etwa bis zum Erreichen des Unteren Totpunktes. Auf diese Art und
Weise wird eine so genannte negative Ventilüberlappung bewirkt, die dafür sorgt,
dass ein Teil der verbrannten Abgase im Brennraum 26 verbleibt
und zur Erwärmung
des im Ansaugtakt in den Brennraum eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches dient.
Auf diese Art und Weise wird im Brennraum 26 ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch erzeugt.
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3.2 zeigt eine Alternative Ansteuerstrategie für die Ein-laß- und Auslaßventile.
In diesem Fall bleibt das Auslaßventil
EV zwischen Unterem Totpunkt UT und Oberem Totpunkt OT geöffnet, das Einlaßventil
bleibt entsprechend zwischen Oberem Tot-punkt und Unterem Totpunkt
geöffnet.
Es findet eine sehr kurze Ventilüberschneidung
im Bereich des Oberen Totpunktes statt. Während der Öffnung des Einlaßventiles
IV wird zusätzlich
im Bereich von etwa 90° Kurbelwellenwinkel
bis kurz vor Erreichen des Unteren Totpunktes UT zusätzlich das
Auslaßventil EV
geöff-net.
Dadurch sind in diesem Bereich sowohl Einlaßventil als auch Auslaßventil
geöffnet,
so dass ein Teil der ausgestoßenen
Abgase über
das Auslaßventil
wieder in den Brennraum zurückbe-fördert wird.
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In 3.3 ist eine weitere Ventilsteuerstrategie dargestellt,
bei dieser bleibt das Auslaßventil
EV zwischen dem Unteren Tot-punkt UT über dem Oberen Totpunkt OT
bis nahe an den Unte ren Totpunkt bei etwa 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Zusätzlich wird
das Einlaßventil
IV in etwa zwischen 90° Kurbelwellenwin-kel
und dem Unteren Totpunkt UT bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet. Dadurch
wird zwischen Unterem Totpunkt bei –180° Kur-belwelle und Erreichen
des Oberen Totpunktes bei 0° Kurbelwel-lenwinkel
verbranntes Abgas aus dem Brennraum 26 ausgestoßen und
sodann zwischen 0° Kurbelwellenwinkel
und dem Schließen
des Auslaßventils
EV hier bei etwa 120° Kurbelwellenwinkel
wieder aus der Abgasanlage in dem Brennraum 26 angesaugt.
Das Einlaß-ventil
IV ist hier zwischen etwa 90° Kurbelwellenwinkel
und dem Erreichen des Unteren Totpunktes bei 180° Kurbelwellenwinkel geöffnet, so dass
in dieser Zeit Frischluft angesaugt werden kann. Auch hier tritt
eine Ventilüberlappung
auf, in diesem Fall etwa zwischen 90° Kurbelwellenwinkel und 120° Kurbelwel-lenwinkel.
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3.4 zeigt eine weitere Variante einer Ventilsteuerstrate-gie,
bei dieser ist das Auslaßventil EV
zwischen dem Unteren Totpunkt bei –180° Kurbelwelle und dem Oberen
Totpunkt bei 180° Kurbelwelle
geöffnet,
das Einlaßventil
IV ist etwa zwischen –60° Kurbelwellenwinkel über dem
Oberen Totpunkt bei 0° Kurbel-wellenwinkel
bis zum Unteren Totpunkt bei 180° Kurbelwellenwinkel
geöffnet.
Es tritt hier also eine Ventilüberschneidung
in etwa zwischen –60° Kurbelwellenwinkel
und dem Erreichen des Oberen Totpunktes bei 0° Kurbelwellenwinkel auf. Dadurch
wird ein Teil des Abgases in den Ansaugtakt gedrückt und während der Öffnungszeit des Einlaßventiles
zwischen Oberem Totpunkt bei 0° Kurbelwelle
und Unterem Totpunkt bei 180° Kurbelwellenwinkel wieder
in den Brennraum 26 zurück
transportiert.
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Die
Ventilsteuerung im Ausführungsbeispiel der 3.1 bewirkt eine heiße Restgasmenge im Brennraum 26 und
ermöglicht
eine ge-schichtete Einspritzung. Diese Ventilsteuerstrategie ist
also für
den Schichtbetrieb ideal. Demgegenüber ist die anhand der 3.4 dargestellte Ventilsteuerung mit einer warmen
Restgas-menge im Brennraumn 26 verbunden und ermöglicht eine
homogene Ladung des Brennraumes 26 und damit einen homogenen
Betrieb der Brennkraftmaschine. Die Ventilsteuerung entsprechend
der Aus-führungsbeispiele
nach 3.2 und 3.3 sind
jeweils Übergangs-Lösungen zwischen
den in 3.1 und 3.4 dargestellt Extremen.
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In
unterschiedlichen Lastpunkten werden unterschiedliche Ven-til- und
Einspritzstrategien benötigt.
Bei sehr niedrigen Las-ten ist eine hohe Restgasrate notwendig um
die benötigte
Selbstzündtemperatur
bereitzustellen. An diesem Betriebspunkt wird die Restgasspeicherung
gemäß 3.1 im Brennraum 26 verwendet, wobei
das Auslaßventil
deutlich vor dem Gaswechsel-OT
geschlossen wird. Die Verdichtung der im Zylinder befindlichen Restgasmasse
führt zu
einer weiteren Temperaturerhöhung.
Die Einspritzung erfolgt, sobald der Kolben sich im Bereich des Gaswechsel-OTs
befindet. Aufgrund der hohen Temperaturen kommt es zu Zerfallsreaktionen
des Kraftstoffes in reaktivere Zwi-schenprodukte, die den Selbstzündzeitpunkt
maßgeblich
beein-flussen und hier den Selbstzündzeitpunkt reduzieren. Das Ein-laßventil
wird geöffnet,
sobald Druckgleichgewicht zwischen Saugrohr und Brennraum herrscht, um
Strömungsverluste
zu ver-meiden.
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Hin
zu höheren
Lasten besteht die Gefahr, dass sich die Zylinderladung aufgrund
der hohen Temperaturen zu früh
entzündet
und die darauf folgende sehr schnelle Verbrennung zu Klopfen führt, da
hier kleinere Mengen an Restgas vorhanden sind. Daher kommt mit
steigender Last die positive Ventilüberschneidung zum Ein-satz,
wie diese in den Ausführungsbeispielen
zur Ventilsteue-rung gemäß der 3.2, 3.3 sowie 3.4 dargestellt sind. Dabei wird die benötigte Restgasmenge
entweder aus dem Abgas- oder dem Einlaßkanal zurückgesaugt. Die Einspritzung
erfolgt dann im Ansaugtakt, wobei der Zeitpunkt der Einspritzung
Einfluss auf die Homogenität
der Zylinderladung nimmt. Zusätzlich
besteht die Möglichkeit,
eine weitere Einspritzung im Kompressionstakt abzusetzen. Hier bewirkt
die Verdampfungsenthalpie des Kraftstoffes eine Kühlung der
Zylinderladung, was einer zu frühen
Selbstzündung
und klopfenden Verbrennung entgegenwirkt. Die Einspritzung während des
Kompressionstaktes kann auch mit einer Einspritzung in die verdichtete
Restgasmenge kombiniert werden, sofern die Ventilsteuerstrategie
der Restgasspeicherung gemäß 3.1 verwendet wird. Dabei ist auch die Kombination
von mehreren Einspritzungen beginnend im Bereich des Gaswechsel-OT über den
Ansaugtakt bis in den Kompressionstakt wie dies in 3 dargestellt
ist möglich.
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Durch
(teilweises) Öffnen
des Reglerventils 10 wird die externe Abgasführung realisiert.
Das in den Auslaß 7 ausgestoßene Abgas
wird dann über die
Abgasrückführung 9 und
das Regelventil 10, das als Drosselventil in beliebige
Zwischenstellung zwischen einer vollständig geschlossenen und einer vollständig geöffneten
Stellung gebracht werden kann, zum Einlaß 5 rückgeführt. Je
nach Öffnung
des Regelventils 10 wird dabei mehr oder weniger Abgas aus
dem Auslaß 7 zum
Einlaß 5 rückgeführt.
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In
unterschiedlichen Lastpunkten der Brennkraftmaschine werden unterschiedliche
Zusammensetzungen und Temperaturen zum Zeitpunkt Einlaßschluß der Einlaßventile
für das
selbstzündende Brennverfahren
benötigt.
Einlaßschluß ist der
Zeitpunkt, zu dem das Einlaßventil 5 schließt. Bei
sehr niedrigen Lasten ist eine hohe Restgasrate notwendig, um die
benötigte
Selbstzündtemperatur
bereitzustellen. Unter Frischgas wird die aus der Umgebung angesaugte (frische)
Luft verstanden, unter Restgas wird das durch interne oder externe
Abgasrückführung in
den Brennraum 2 zurückgebrachte
bzw. dort verbleibende (verbrannte) Kraftstoff-Luftgemisch (Abgas) verstanden. Die
Restgasrate ist der Anteil des Abgases, der durch interne oder externe
Abgasrückführung in
den Brennraum 2 zurückgeführt wird bzw.
in diesem verbleibt. Dadurch ergeben sich drei grundsätzlich Restgassteuerungsstrategien:
- 1. eine reine externe Restgassteuerung durch
die externe Abgasrückführung, die
geregelt gekühlt (konditioniert)
werden kann;
- 2. eine reine interne Restgassteuerung durch die interne Abgasrückführung mittels
des variablen Ventiltriebes (negative oder positive Ventilüberschneidung);
doppeltes Öffnen
von Ein- und/oder Auslaßventilen
und dergleichen;
- 3. eine Mischung aus interner und externer Restgassteuerung.
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Die
externe konditionierte Abgasrückführung gemäß 1.
ermöglicht
eine langsame, aber gut definierte Restgaszumessung in Bezug auf
die Temperatur und die Menge des Restgases. Dazu werden Druck- und
Temperatursensoren in dem Auslaß 7 und
dem Einlaß 5 benötigt. Diese
Temperatur- und Drucksensoren sind in 1 nicht
dargestellt, beispielsweise können
diese im Auslaß vor
und hinter der Abzweigung zur Abgasrückführung 9 angeordnet sein.
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Die
externe Abgasrückführung wird
sehr gut homogenisiert, man erhält
also eine homogene Durchmischung von Restgas und Frischgas im Brennraum 2.
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Bei
der zyklustreuen internen Restgassteuerung gemäß 2. ist die Zumessung
der Restgasmenge sehr genau, da sich diese über die genau steuerbaren Öffnungszeiten
des Auslaßventils 8 genau
zumessen lässt.
Die Temperatur ist sehr hoch, da wenige Wärmeverluste erzeugt werden.
Die Temperatur kann variiert werden, indem unterschiedliche Ventilstrategien
gefahren werden, wie z.B. negative Ventilüberschneidungen (dies ergibt
die höchste
Temperatur) oder positive Ventilüberschneidung
mit oder ohne doppeltem Öffnen
von Ein- und/oder Auslaßventil,
was eine etwas niedrigere Temperatur als bei negativer Ventilüberschneidung
ergibt.
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Die
gemischte Restgasstrategie gemäß 3., mithin
eine Kombination aus interner und externer Abgasrückführung, bietet
die Möglichkeit,
die Gemischtemperatur sehr genau zu steuern. Da bei gibt es einerseits
den relativ langsam steuerbaren Pfad der externen, kühleren Restgassteuerung,
die eine Basis-Abgasrückführung darstellt,
und andererseits die (zyklustreue), interne Restgaszumessung zur
feineren (schnelleren) Regelung des Brennverfahrens. Es wird daher über die
Abgasrückführung 9,
genauer gesagt über
die Stellung des Regelventils 10, eine Abgasrückführung eingestellt,
die mittels der internen Abgasrückführung „moduliert" wird. Die externe
Abgasrückführung verhält sich
dabei relativ träge
bezüglich
Veränderungen
der Ventilstellung des Regelventils 10. Daher wird die
externe Abgasrückführung möglichst über mehrere
Arbeitszyklen des Zylinders 1 konstant gehalten. Mit Hilfe
der externen Abgasrückführung über die
Abgasrückführung 9 wird
eine Grundrate RE gemäß 4 erzeugt. Über die
interne Abgasführung,
wie diese in 3 dargestellt ist, wird nun
eine Zusatzrate an Restgas rückgeführt. Damit wird
eine feine Regelung der Abgasrückführung vorgenommen.
Durch Variation der aus der internen Abgasrückführung stammenden Restgasmenge
R1 und der aus der externen Abgasrückführung stammenden
Restgasmenge RE kann insbesondere die Temperatur
des Restgas-Luft-Kraftstoffgemisches in dem Brennraum 2 eingestellt
werden. Dies ist in 4 als Beispiel für zwei Fälle dargestellt.
Aufgetragen in 4 ist die Restgasmenge, diese
kann als Masse- oder als Prozentangabe der Masse bzw. des Volumens
im Brennraum 2 angegeben werden über der Zeit t. Durch die externe
Abgasrückführung wird
dabei eine Restgasmenge RE zurückgeführt, die über der
Zeit im Wesentlichen konstant gehalten wird. Selbstverständlich erfolgt
auch hier eine Veränderung
der Restgasmenge über
die Regelung der Abgasrückführung, es
handelt sich hier aber um eine träge Regelung, die also nur zur
Anpassung, z.B. an unterschiedliche Lastverhältnisse eingreift. Zusätzlich findet
eine interne Abgasrückführung R1 statt, die relativ schnell regelbar ist,
hier kann für
jeden Arbeitstakt eine unterschiedliche Restgasmenge eingestellt
werden. Die externe Abgasrückführung RE und die interne Abgasrückführung RI zusammen
ergeben die gesamte Abgasrückführung RGES. Über
das Verhältnis
der internen Abgasrückführung RI und der externen Abgasrückführung RE kann
zudem die Temperatur des Restgas-Luft-Gemisches in dem Brennraum 2 eingestellt
werden. Je höher
der Anteil des Restgases aus der internen Abgasrückführung, desto höher ist
die Temperatur des Restgas-Luftgemisches während des Verdichtungstaktes
in dem Brennraum 2.