Brennverfahren für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren, insbesondere für eine 4-Takt-Hub- kolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung werden oftmals homogene magere Kraftstoff/Luft-Gemische zur Selbstzündung gebracht, so dass hohe Wirkungsgrade und verbesserte Abgasemissionen erzielt werden. Bei solchen sog. HCCI- bzw. CAI- Brennkraftmaschinen, auch als Brennkraftmaschinen mit Raumzündverbrennung bekannt, wird in der Regel in der unteren Teillast ein mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet und selbst gezündet. Zu höheren Lasten hin treten durch die Selbstzündung steile Druckanstiege im Brennraum auf, welche zu einer Beeinträchtigung des Betriebs führen würden.

Aus der deutschen Patentschrift DE 198 10 935 C2 ist beispielsweise ein Verfahren zum Betrieb einer nach dem 4-Takt-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein homogenes, mageres Grundgemisch aus Luft, Kraftstoff und zurückgehaltenem Abgas gebildet wird, welches nach einer Kompressionszündung verbrannt wird. Dabei wird zur Erweiterung des

motorischen Betriebsbereiches mit Kompressionszündung eine Aktivierungsphase zwischengeschaltet. Während der Kompression des zurückgehaltenen Abgases wird eine Aktivierungskraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt und mit den restlichen Gemischanteilen im Brennraum möglichst homogen verteilt. Dem Gemisch wird hierdurch thermische Energie durch die Kompression zugeführt, so dass eine chemische Reaktion bzw. eine Zündung in der Nähe des oberen Ladungswechseltotpunkts eingeleitet wird. über den Zeitpunkt und die Menge der Aktivierungseinspritzung kann der Zündzeitpunkt der Frischladung bei der Hauptverbrennung gesteuert werden.

Bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. bei sich verändernder Drehzahl, ist es mit dem gattungsgemäßen Brennverfahren sehr schwierig, über den Zeitpunkt und die Menge der Aktivierungseinspritzung den Zündzeitpunkt genau zu steuern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennverfahren, insbesondere für eine 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem eine sehr präzise Steuerung des Zündzeitpunkts möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch den Verfahrensschritt mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Es konnte numerisch nachgewiesen werden, dass eine unkontrollierte Kettenreaktion (Selbstzündung der Zwischenprodukte des Kraftstoff/Luft-Gemisches) durch Gegenwart von Kraftstoffmolekülen gezielt unterdrückt und so die Verbrennung hinausgezögert und deren Beginn kontrolliert und gesteuert werden kann. Unter Zwischenprodukten wird ein Kraftstoff verstanden, der eine höhere Brenngeschwindigkeit als der Ausgangskraftstoff hat. Dies kann z. B. ein Gemisch aus Kraftstoff, Formaldehyd und Wasserstoffperoxyd sein. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Zwischenprodukte ist die so genannte kalte Flamme oder kalte Verbrennung. Dieser chemische Prozess tritt in einem Temperaturbereich zwischen 700 K und 1000 K auf. Erfindungsgemäß

wird nun die Verbrennung solange durch kontinuierliche Zugabe von Kraftstoff hinausgezögert („Nachfüttern mit weiterem Kraftstoff') bis der gewünschte Zündzeitpunkt erreicht ist. Danach kann die Verbrennung kontrolliert durch Fremdzündung oder Selbstzündung einsetzen, die dann sehr schnell und stabil abläuft und das NOx-Niveau aufgrund der sehr schnellen und späten Reaktion niedrig bleibt. Parallel hierzu kann als Folge der hohen Zündwilligkeit des Gemisches und/oder der hohen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit die Verbrennung sehr mager ablaufen, was die Verbrennungstemperaturen nochmals erheblich senkt. Dass ein derartiger, erfin- dungsgemäßer Verbrennungsablauf zu sehr niedrigen NOx-Emissionen führt, belegen Ergebnisse bei einer Magerverbrennung mit zündwilligen Kraftstoffen, wie Wasserstoff oder Reformergas. Bei letzterem wird z.B. H ₂ - angereichertes Gas dem Benzin zugemischt. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Brennyerfahren jedoch. für fast jede Art von Kraftstoff wie beispielsweise Benzin, Diesel, etc. eingesetzt werden. Zur Erzeugung von Zwischenprodukten ist es notwendig, einen Kraftstoff zu verwenden, der durch eine ausgeprägte Niedertemperaturkinetik charakterisiert ist. Dies ist bei höheren Kohlenwasserstoffen der Fall, weshalb Kraftstoffe wie z. B. Ethanol oder Erdgas für das erfindungsgemäße Verfahren eher nicht geeignet sind.

Bevorzugt werden die Zwischenprodukte gemäß der Patentansprüche 2 und 3 während der oberen Ladungswechseltotphase (LOT-Phase) durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile gebildet, da dann in der Kompressionsphase die Zwischenprodukte sehr homogen im Brennraum vorliegen.

Gemäß der Patentansprüche 4 und 5 kann eine Zündung entweder durch eine Fremdzündung, wie beispielsweise mit einer Zündkerze oder durch das Stoppen der Einspritzung von weiterem Kraftstoff, mit anschließender Selbstzündung erfolgen.

Eine weitere Emissionssenkung ist gemäß Patentanspruch 6 dadurch möglich, dass das Frischgas zumindest teilweise mit Abgas gemischt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine externe Abgasrückführung handeln.

Neben einem stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine ist auch ein Magerbetrieb gemäß Patentanspruch 7 möglich. Hierfür wird das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem hohen Sauerstoffüberschuss gebildet.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von 3 Figuren für zwei Betriebsarten näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erste Betriebsart einer erfindungsgemäß betriebenen. Brennkraftmaschine.

Fig. 2 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine zweite Betriebsart einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine.

Fig. 3 zeigt numerisch berechnete Temperatur- und Lambdaverläufe

(Luft-/Kraftstoffverhältnis) für eine erfindungsgemäß beschriebene Zugabe von Kraftstoff („Nachfüttern mit weiterem Kraftstoff').

Fig. 1 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erfindungsgemäß betriebene 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine in einer ersten Betriebsart. Dargestellt ist schematisch ein Zylinderinnendruckverlauf 1 über 720° Kurbelwelle. Ein Zylinderinnendruck der Brennkraftmaschine ist über die Y- Achse und die 720° Kurbelwelle sind über die X-Achse aufgetragen. Der erste gestrichelt dargestellte Druckanstieg, gebildet durch eine Gaswechsel- ventilunterschneidung, entspricht einem oberen Ladungswechseltotpunkt

(LOT) eines Kolbens, der zweite Druckanstieg, in Richtung der X-Achse betrachtet, entspricht einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) des Kolbens.

In einer weiteren Betriebsart der Brennkraftmaschine kann auch der erste Druckanstieg beispielsweise durch eine Gaswechselventilüberschneidung entfallen.

Bei einer Gaswechselventilunterschneidung sind die Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventile bei einer Lage des Kolbens nahe dem LOT geschlossen, bei einer Gaswechselventilüberschneidung sind die Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventile bei einer Lage des Kolbens nahe dem LOT geöffnet.

Das erfindungsgemäße Brennverfahren ist für die 4-Takt-Hubkolben-Brenn- kraftmaschine vorgesehen mit einem Brennraum, dessen Volumen von einem hubbeweglichen Kolben veränderbar ist und wobei ein Kraftstoff wie z. B. Benzin, Diesel, etc. direkt in den Brennraum einbringbar (einspritz- oder einblasbar) ist. Vorzugsweise soll der Kraftstoff Kohlenstoffatome enthalten, bzw. Kohlenwasserstoffe beinhalten. Die Brennkraftmaschine verfügt über zumindest ein Gaswechseleinlass- und ein Gaswechselauslassventil für einen Ladungswechsel und der Brennraum weist zum oberen Ladungswechseltotpunkt (LOT) und zu dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) jeweils ein minimales Volumen auf. Das Brennverfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

- Einbringen eines Frischgases in einer Ansaugphase in den Brennraum (a);

- Einbringen einer Hauptmenge eines Kraftstoffes (x) in den Brennraum während der Ansaugphase (a) und/oder einer Kompressionsphase (b);

- Komprimieren des Frischgases und des Kraftstoffes in der Kompressionsphase (b);

- Zünden eines im Brennraum gebildeten Gemisches aus Frischgas und Kraftstoff (c);

- Expandieren und Ausschieben eines durch eine Verbrennung gebildeten Abgases in einer Expansionsphase (d), wobei

- eine Pilotmenge von Kraftstoff (e) vor dem Einbringen der Hauptmenge des Kraftstoffes (x) in den Brennraum eingebracht wird;

- Zwischenprodukte der Pilotmenge des Kraftstoffes (f) gebildet werden (Aktivierung),

- die Hauptmenge des Kraftstoffs (x) während der Kompressionsphase (b) derart in den Brennraum eingebracht wird, dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte, die nicht zwangsläufig identisch mit denen aus der Aktivierungsphase sein müssen, gebildet werden, bis eine kontrollierte Zündung des Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt (c).

Unter Zwischenprodukten wird ein Kraftstoff verstanden, der z. B. eine höhere Brenngeschwindigkeit als der Ausgangskraftstoff hat. Dies kann beispielsweise ein Gemisch aus Kraftstoff, teiloxidierte Kohlenwasserstoffe, Formaldehyd und Wasserstoffperoxyd sein. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Zwischenprodukte ist die so genannte kalte Flamme oder kalte Verbrennung. Dieser chemische Prozess tritt in einem Temperaturbereich zwischen 700 K und 1000 K auf.

Unter Brennraum wird hier der Raum verstanden, der das Hubvolumen und das Kompressionsvolumen umfasst, wobei die Volumina von einer Zyliπder- kopfinnenseite, einem Kolbenboden sowie einem Zylinder gebildet werden.

Fig. 2 zeigt einen Zylinderinnendruckverlauf für eine erfindungsgemäß betriebene 4-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine in einer zweiten Betriebsart. Der grundsätzliche Viertakt-Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine ent-

spricht dem in Fig. 1 dargestellten. Im Unterschied zur ersten Betriebsart wird bei der zweiten Betriebsart der erste Kraftstoff schon in der LOT-Phase (h) in den Brennraum eingebracht. Nahe dem LOT werden auch bei dieser zweiten Betriebsart die Temperaturen von 700 K - 1000 K im Brennraum erreicht. In dieser zweiten Betriebsart liegen die Zwischenprodukte in der anschließenden Kompressionsphase (b) besonders homogen im Brennraum vor.

Erfindungsgemäß wird auch bei dieser zweiten Betriebsart vor dem ZOT weiterer Kraftstoff während der Kompression in den Brennraum eingespritzt (x), so dass eine vollständige Zündung des Gemisches aus Frischgas und der Zwischenprodukte, die während der LOT-Phase (h) gebildet worden sind (Aktivierung), unterdrückt wird und weitere Zwischenprodukte von der Hauptmenge des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffs gebildet werden, bjs eine kontrollierte (Fremd- oder Selbst-) Zündung des.Gemisches und der weiteren Zwischenprodukte erfolgt (c).

Neben einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine kann beispielsweise auch eine 6-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine erfindungsgemäß betrieben werden.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm Simulationsergebnisse zum Einfluss der kontinuierlichen Zugabe von Kraftstoff auf den Verbrennungsbeginn. über die Y- Achse ist zum einen die Temperatur in Kelvin und zum anderen das Luft- /Kraftstoffverhältnis aufgetragen, über die X-Achse die Zeit in Millisekunden. Während der ersten Temperaturerhöhung auf ca. 900 K werden die Zwischenprodukte gebildet. Diese neigen zu einer schnellen zweiten Umsetzung (Hauptverbrennung), aber durch eine weitere Zugabe von Kraftstoff kann der Verbrennungsbeginn hinausgezögert werden. Solange Kraftstoff zugegeben wird, wird die Hauptumsetzung (Temperaturanstieg auf über 2500 K) unterdrückt.

Bevorzugt werden die Zwischenprodukte gemäß dem zweiten Brennverfahren während der Ladungswechsel-OT-Phase durch eine Unterschneidung der Gaswechselventile gebildet. Weiter wird die Hauptmenge des Kraftstoffs bevorzugt während des Einbringens von Frischgas in den Brennraum eingespritzt oder eingeblasen. In einer ersten Variante kann die Zündung des Gemisches im Brennraum durch eine Fremdzündung erfolgen, beispielsweise mit einer Zündeinrichtung, wie einer Zündkerze. In einer weiten Variante kann die Zündung des Gemisches durch Stoppen der Einspritzung der Hauptmenge des Kraftstoffs erfolgen. Um die Abgasemissionen noch weiter zu senken kann in vorteilhafter Weise das Frischgas zumindest teilweise mit Abgas gemischt werden. Weiter erlaubt das erfindungsgemäße Brennverfahren mageren Motorenbetrieb, was bedeutet, dass das Abgas im Brennraum zumindest teilweise mit einem Sauerstoffüberschuss gebildet wird.

Bekannt ist, dass zur Erhöhung der Zündwilligkeit ein Gemisch vorkonditioniert (z. B. durch Druck, Temperatur, Gemischzusammensetzung) wird. Dies erhöht in gewünschter Weise die Selbstzündungsneigung und dadurch kommt es zu entsprechenden Kettenreaktionen, welche die Verbrennung einleiten. Dies geschieht aber bei den bekannten Brennverfahren, wie HCCI oder Schichtladebrennverfahren in unkontrollierter Weise und damit ergeben sich Grenzen bei der Erhöhung der Zündfähigkeit. Zwischenzeitlich konnte numerisch nachgewiesen werden, dass diese unkontrollierte Kettenreaktion (Selbstzündung) durch Gegenwart von Kraftstoffmolekülen gezielt unterdrückt und so die Verbrennung hinausgezögert und deren Beginn kontrolliert und gesteuert werden kann. Ziel des erfindungsgemäßen Brennverfahrens ist es, die Verbrennung solange durch kontinuierliche Zugabe von Kraftstoff herauszuzögern („Nachfüttern" von Kraftstoff), bis der gewünschte Zündzeitpunkt erreicht ist. Danach kann die Verbrennung kontrolliert einsetzen (durch Fremdzündung oder Selbstzündung), die dann sehr schnell abläuft und das NOx-Niveau aufgrund der sehr schnellen und späten Reaktion niedrig bleibt. Parallel hierzu kann als Folge der hohen Zündwilligkeit des Gemisches die

Verbrennung sehr mager ablaufen, welches die Verbrennungstemperaturen erheblich senkt. Dass so ein Verbrennungsablauf zu sehr niedrigen NOx- Emissionen führt, belegen Ergebnisse bei einer Magerverbrennung mit zündwilligen Kraftstoffen, wie Wasserstoff oder Reformergas. Durch das erfindungsgemäße Brennverfahren wird der Zielkonflikt, Kraftstoffverbrauch versus NOx-Emissionen beim Magerbrennverfahren (Otto und Diesel) und damit die Erfüllung zukünftiger Emissionsvorschriften ohne Kraftstoffverbrauchseinbußen gelöst. Weiter handelt es sich um ein weltweit einsetzbares Magerbrennverfahren. Durch das erfindungsgemäße Brennverfahren ergibt sich ein deutlich reduzierter Aufwand sowie reduzierte Kosten für eine Abgasnachbehandlung.