AT413858B - Process for operating an I.C. engine, especially a diesel engine with homogeneous fuel consumption, comprises acquiring the pressure, temperature, ion stream and output signal of an optical measuring principle, and further processing - Google Patents
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Abstract
Description
22
AT 413 858 BAT 413 858 B
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, welche in Abhängigkeit von zumindest einem charakteristischen Motorbetriebsparameter zumindest zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart umgeschaltet wird. 5The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine, which is switched over as a function of at least one characteristic engine operating parameter at least between a first and a second operating mode. 5
Die wichtigsten Bestimmungsstücke für den Verbrennungsablauf in einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung sind die Phasenlage des Verbrennungsablaufes bzw. des Verbrennungsbeginnes, die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Zylinderdruckes, sowie der Spitzendruck. 10The most important determinants for the combustion process in an internal combustion engine are the phase position of the combustion process or the start of combustion, the maximum rate of increase of the cylinder pressure, and the peak pressure. 10
Bei einer Brennkraftmaschine, bei der die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung einer direkt eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt, werden die Bestimmungsstücke maßgeblich durch den Einspritzzeitpunkt, durch die Ladungszusammensetzung und durch den Zündverzug festgelegt. Diese Parameter werden ihrerseits durch eine große Anzahl von Einflussgrößen 15 bestimmt, wie zum Beispiel Drehzahl, Kraftstoffmenge, Ansaugtemperatur, Ladedruck, effektives Kompressionsverhältnis, Inertgasgehalt der Zylinderladung und Bauteiltemperatur.In an internal combustion engine, in which the combustion takes place essentially by autoignition of a directly injected fuel quantity, the determinants are determined substantially by the injection time, by the charge composition and by the ignition delay. These parameters are in turn determined by a large number of influencing variables 15, such as speed, fuel quantity, intake temperature, charge pressure, effective compression ratio, inert gas content of the cylinder charge and component temperature.
Konventionelle Dieselverbrennung läuft vorwiegend unter Diffusionsverbrennung ab, wobei Luft und Kraftstoff nicht durchgemischt, sondern jeweils separat der Verbrennungszone zugeführt 20 werden. Die konventionelle Dieselverbrennung ist gekennzeichnet durch eine inhomogene Verteilung von Luft und Kraftstoff. Die Konzentration des Kraftstoffs nimmt im Einspritzstrahl von innen nach außen zum Bereich des umgebenden Luft-Restgasgemisches hin immer weiter ab. Die Verbrennung in Zonen bei Luftverhältnissen im Bereich des stöchiometrischen Luftverhältnisses und darunter führt zu hohen Spitzentemperaturen, die die Ursache für die thermische 25 NO-Bildung sind. Weiterhin führt Sauerstoffmangel in fetten Zonen in Verbindung mit hohen Temperaturen zu Rußbildung.Conventional diesel combustion proceeds predominantly by diffusion combustion, with air and fuel not being mixed, but fed separately to the combustion zone. Conventional diesel combustion is characterized by an inhomogeneous distribution of air and fuel. The concentration of the fuel in the injection jet continues to decrease from the inside to the outside to the area of the surrounding air-residual gas mixture. The combustion in zones with air ratios in the range of the stoichiometric air ratio and below leads to high peak temperatures, which are the cause of the thermal 25 NO formation. Furthermore, lack of oxygen in rich zones combined with high temperatures leads to soot formation.
Strengere gesetzliche Rahmenbedingungen bewirken, dass bei der Konzeption von Brennverfahren immer wieder neue Wege eingeschlagen werden müssen, um bei Dieselbrennkraftma-30 schinen den Ausstoß an Rußpartikeln und an NOx-Emissionen zu verringern.Stricter legal frameworks mean that new ways of reducing the emission of soot particles and NOx emissions in diesel combustion engines must be pursued in the design of combustion processes.
Es ist bekannt NOx- und Rußemissionen im Abgas zu verringern, indem durch Vorverlegen des Einspritzzeitpunktes der Zündverzug vergrößert wird, so dass die Verbrennung durch Selbstzündung eines mageren Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt. Eine mögliche Variante wird hier als 35 HCLI-Verfahren (Homogenous Charge Late Injection) bezeichnet. Wenn eine derartige Gemischverbrennung durchgeführt wird, erfolgt die Kraftstoffeinspritzung somit genügend weit vor dem oberen Totpunkt der Kompressionsphase, wodurch ein weitgehend homogenes Kraftstoff-Luftgemisch entsteht. Durch Abgasrückführung kann erreicht werden, dass die Verbrennungstemperatur unterhalb der für NOx-Entstehung erforderlichen Mindesttemperatur bleibt. Da die 40 Homogenisierung von Kraftstoff und Luft allerdings zeitabhängig ist, ist die Realisierung dieses Verfahrens drehzahl- und lastabhängig eingeschränkt, da bei unzureichender Homogenisierung der Partikelausstoß zunimmt.It is known to reduce NOx and soot emissions in the exhaust gas by increasing the ignition delay by advancing the injection timing, so that combustion is by auto-ignition of a lean fuel-air mixture. One possible variant is referred to herein as HCLI (Homogeneous Batch Late Injection). If such a mixture combustion is carried out, the fuel injection is thus sufficiently far before the top dead center of the compression phase, whereby a substantially homogeneous air-fuel mixture is formed. By exhaust gas recirculation can be achieved that the combustion temperature remains below the minimum temperature required for the formation of NOx. Since the 40 homogenization of fuel and air, however, is time-dependent, the realization of this method is speed and load-dependent limited, since inadequate homogenization of particle emissions increases.
Die US 6,338,245 B1 beschreibt eine nach dem HCLI-Verfahren arbeitende Diesel-45 Brennkraftmaschine, bei der Verbrennungstemperatur und Zündverzug so eingestellt werden, dass im unteren und mittleren Teillastbereich die Verbrennungstemperatur unter der NOx-Bildungstemperatur und das Luftverhältnis oberhalb des für die Rußbildung maßgeblichen Wertes liegt. Die Verbrennungstemperatur wird dabei durch Verändern der Abgasrückführrate, der Zündverzug durch den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt gesteuert. Bei mittlerer und hoher Last so wird die Verbrennungstemperatur so weit abgesenkt, dass sowohl NOx- als auch Rußbildung vermieden wird. Nachteilig ist, dass insbesondere im mittleren Teillastbereich ein niedriges Luftverhältnis kombiniert mit niedrigen Verbrennungstemperaturen auftritt und daher ein schlechter Wirkungsgrad in Kauf genommen werden muss. 55 Die US 6,158,413 A beschreibt eine direkteinspritzende Diesel-Brennkraftmaschine, bei der die 3US Pat. No. 6,338,245 B1 describes a diesel internal combustion engine operating according to the HCLI method in which the combustion temperature and ignition delay are set such that the combustion temperature below the NOx formation temperature and the air ratio are above the value relevant for soot formation in the lower and middle part load range , The combustion temperature is controlled by changing the exhaust gas recirculation rate, the ignition delay by the fuel injection timing. At medium and high load, the combustion temperature is lowered so that both NOx and soot formation is avoided. The disadvantage is that especially in the middle part load range, a low air ratio combined with low combustion temperatures occurs and therefore a poor efficiency must be taken into account. 55 US Pat. No. 6,158,413 A describes a direct-injection diesel internal combustion engine in which the 3
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Kraftstoffeinspritzung nicht vor dem oberen Totpunkt der Kompression angesetzt ist, und bei der die Sauerstoffkonzentration im Brennraum durch Abgasrückführung vermindert wird. Dieses Betriebsverfahren wird hier auch als HPLI-Verfahen (Highly Premixed Late Injection) bezeichnet. Wegen des - verglichen mit einer konventionellen Einspritzung vor dem oberen Totpunkt -5 nach dem oberen Totpunkt sinkenden Temperaturniveaus und der gegenüber konventioneller Betriebsweise erhöhten Menge rückgeführten Abgases ist der Zündverzug länger als bei der sogenannten Diffusionsverbrennung. Das durch die Abgasrückführrate gesteuerte niedrige Temperaturniveau bewirkt, dass die Verbrennungstemperatur unter dem für die NOx-Bildung maßgeblichen Wert bleibt. Durch den durch den späteren Einspritzzeitpunkt bewirkten großen io Zündverzug wird eine gute Gemischbildung erreicht, wodurch bei der Verbrennung des Gemisches der lokale Sauerstoffmangel deutlich reduziert wird, wodurch die Partikelentstehung verringert wird. Die Spätverschiebung des Brennverlaufes bewirkt eine Absenkung der Maximaltemperatur, führt aber gleichzeitig zu einer Anhebung der mittleren Temperatur bei einem gegebenen späten Kurbelwinkel, was den Rußabbrand verstärkt. Die Verschiebung der Verbren-15 nung in den Expansionstakt führt darüber hinaus im Zusammenwirken mit der hohen Abgasrückführrate trotz der wegen des langen Zündverzugs größeren vorgemischten Kraftstoffmenge und folglich höheren maximalen Brennrate zu einer das zulässige Maß nicht übersteigenden Druckanstiegsrate im Zylinder. Nachteilig ist der schlechte Wirkungsgrad im unteren Teillastbereich. 20Fuel injection is not set before the top dead center of the compression, and in which the oxygen concentration in the combustion chamber is reduced by exhaust gas recirculation. This method of operation is also referred to herein as HPLI (Highly Premixed Late Injection). Because of - compared to a conventional injection before top dead center -5 after top dead center falling temperature levels and compared to conventional operation increased amount of recirculated exhaust gas ignition delay is longer than in the so-called diffusion combustion. The low temperature level controlled by the exhaust gas recirculation rate causes the combustion temperature to remain below the value relevant to NOx formation. Due to the large ignition delay caused by the later injection time, good mixture formation is achieved, as a result of which the local oxygen deficiency is significantly reduced during the combustion of the mixture, as a result of which particle formation is reduced. The retardation of the firing cycle causes a lowering of the maximum temperature, but at the same time leads to an increase in the mean temperature at a given late crank angle, which increases soot burnup. In addition, the shift in the combustion stroke into the expansion stroke, in conjunction with the high exhaust gas recirculation rate, results in a pressure rise rate in the cylinder which does not exceed the permissible level, despite the larger premixed fuel quantity due to the long ignition delay and consequently higher maximum combustion rate. The disadvantage is the poor efficiency in the lower part load range. 20
Die WO 03/018972 A1 beschreibt ein Abgasreinigungssystem mit einem ΝΟχ-Katalysator. Über einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor wird das Abgasreinigungssystem überwacht, wobei das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases in einem Gemischverbrennungsmodus angefettet wird, wenn der aktivierte ΝΟχ-Katalysator regeneriert werden muss. Das Luft/Kraftstoffverhältnis des 25 Abgases wird in einem Diffusionsverbrennungsmodus angefettet, wenn der nicht aktivierte ΝΟχ-Katalysator regeneriert werden muss.WO 03/018972 A1 describes an exhaust gas purification system with a ΝΟχ catalyst. Via an air / fuel ratio sensor, the exhaust gas purification system is monitored, wherein the air / fuel ratio of the exhaust gas is enriched in a mixture combustion mode when the activated ΝΟχ-catalyst must be regenerated. The air / fuel ratio of the exhaust gas is enriched in a diffusion combustion mode when the non-activated ΝΟχ-catalyst needs to be regenerated.
Die EP 0 978 643 A2 offenbart eine Kontrolleinrichtung für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, welche einen Katalysator im Abgasstrang aufweist. Bei zu geringer Katalysatortem-30 peratur wird während des Kompressionshubes in einem Niederlassbetriebsbereich einmalig Kraftstoff eingespritzt. Im Hochlastbereich dagegen wird eine zwischen Einlass- und Kompressionshub aufgeteilte Kraftstoffeinspritzung durchgeführt.EP 0 978 643 A2 discloses a control device for a direct-injection internal combustion engine, which has a catalytic converter in the exhaust gas line. If the catalyst temperature is too low, fuel is injected once during the compression stroke in a steady-state operating range. In the high load range, on the other hand, a fuel injection divided between intake and compression strokes is performed.
In der österreichischen Gebrauchsmusteranmeldung GM 702/2002 wird vorgeschlagen, eine 35 Diesel-Brennkraftmaschine im unteren Teillastbereich nach dem HCLI-Verfahren, im mittleren Teillastbereich nach dem HPLI-Verfahren und im Volllastbereich mit konventioneller Dieselverbrennung zu betreiben. Dadurch kann die Brennkraftmaschine in jedem Lastbereich mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen ΝΟχ- und Rußemissionen betrieben werden. 40 Das HCLI-Verfahren und das HPLI-Verfahren zählen zu den alternativen Dieselverbrennungsverfahren.In the Austrian utility model application GM 702/2002 it is proposed to operate a 35 diesel internal combustion engine in the lower part load range according to the HCLI method, in the middle part load range according to the HPLI method and in the full load range with conventional diesel combustion. As a result, the internal combustion engine can be operated in any load range with high efficiency and low ΝΟχ- and soot emissions. 40 The HCLI process and the HPLI process are among the alternative diesel combustion processes.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem die Brennkraftmaschine in der für den jeweiligen Betriebspunkt optimalen Betriebsart gefahren werden kann. 45The object of the invention is to develop a method with which the internal combustion engine can be driven in the optimum operating mode for each operating point. 45
Erfindungsgemäß wird dies durch folgende Schritte erreicht: a. Auswählen von mindestens einem, vorzugsweise von mindestens zwei charakteristischen Motorbetriebsparametern, so b. Zuordnen von Wertebereichen zu jedem Motorbetriebsparameter, wobei zumindest ein erster Wertebereich der ersten Betriebsart und zumindest ein zweiter Wertebereich der zweiten Betriebsart zugeordnet wird, c. Vergleichen der aktuellen Werte der ausgewählten charakteristischen Motorbetriebsparameter mit den Wertebereichen, 55 d. Umschalten in die zweite Betriebsart oder Verbleiben in der zweiten Betriebsart, wenn alle 4According to the invention this is achieved by the following steps: a. Selecting at least one, preferably at least two characteristic engine operating parameters, b. Assigning value ranges to each engine operating parameter, wherein at least one first value range of the first operating mode and at least a second value range of the second operating mode is assigned, c. Comparing the current values of the selected characteristic engine operating parameters with the value ranges, 55 d. Switching to the second mode or remaining in the second mode when all 4
AT 413 858 B ausgewählten charakteristischen Motorbetriebsparameter in den zweiten Wertebereichen liegen, wobei jedem ausgewählten charakteristischen Motorbetriebsparameter zumindest ein Schwell-5 wert für das Umschalten zwischen den Betriebsarten zugeordnet wird, wobei erster und zweiter Wertebereich durch den Schwellwert getrennt sind, und wobei für zumindest einen Schwellwert ein vorbestimmter fester Wert gewählt oder zumindest ein Schwellwert zumindest eines ausgewählten charakteristischen Motorbetriebsparameters in Abhängigkeit von zumindest einem anderen Motorbetriebsparameter bestimmt wird. 10AT 413 858 B selected characteristic engine operating parameters lie in the second value ranges, wherein each selected characteristic engine operating parameter is assigned at least a threshold value for the switching between the modes, wherein the first and second value ranges are separated by the threshold, and wherein for at least one threshold a predetermined fixed value is selected or at least one threshold value of at least one selected characteristic engine operating parameter is determined in dependence on at least one other engine operating parameter. 10
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass in die erste Betriebsart umgeschaltet wird oder die erste Betriebsart beibehalten wird, wenn zumindest ein aktueller Wert eines ausgewählten charakteristischen Motorbetriebsparameters innerhalb des ersten Wertebereiches liegt. 15 Zumindest zwei charakteristische Motorbetriebsparameter werden aus der Gruppe Motordrehzahl, Motorlast, Motorkühlmitteltemperatur, Atmosphärendruck, Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems, Abgastemperatur vor dem Abgasnachbehandlungssystem, Abgastemperatur nach dem Abgasnachbehandlungssystem, Änderungsgeschwindigkeit der Motordrehzahl, Änderungsgeschwindigkeit der Motorlast und aktuelles Übersetzungsverhältnis der Antriebs-20 Stranges ausgewählt. Die Motorlast kann dabei beispielsweise durch das Drehmoment, die Einspritzmenge oder die Fahrpedalstellung definiert werden. Als Abgasnachbehandlungssystem wird vorzugsweise ein Oxidationskatalysator vorgesehen. Das aktuelle Übersetzungsverhältnis des Antriebsstranges wird vorteilhafter Weise durch die Gangnummer definiert. 25 Die erste Betriebsart wird vorzugsweise der konventionellen Dieselverbrennung und die zweite Betriebsart einem alternativen Dieselverbrennungsverfahren zugeordnet.Preferably, it is provided that is switched to the first mode or the first mode is maintained when at least one current value of a selected characteristic engine operating parameter is within the first range of values. At least two characteristic engine operating parameters are selected from the group of engine speed, engine load, engine coolant temperature, atmospheric pressure, exhaust aftertreatment system temperature, exhaust aftertreatment system exhaust temperature, exhaust aftertreatment exhaust temperature, engine speed rate of change, engine load rate of change, and current drive 20 speed ratio. The engine load can be defined, for example, by the torque, the injection quantity or the accelerator pedal position. As the exhaust aftertreatment system, an oxidation catalyst is preferably provided. The current transmission ratio of the drive train is advantageously defined by the gear number. The first operating mode is preferably assigned to the conventional diesel combustion and the second operating mode to an alternative diesel combustion method.
Jede der ausgewählten charakteristischen Motorparameter wird zumindest mit einem hinterlegten Schwellwert verglichen. Für jeden der verwendeten Motorbetriebsparameter sind die 30 Schwellwerte entweder als feste Werte (z.B.: oberer Schwellwert für Motordrehzahl bei etwa 4000 Umdrehungen/min.) oder als abhängige Werte (z.B.: Kennlinie über der Motordrehzahl, Kennlinie über der Motordrehzahl und Motorlast) abgelegt. Die Schwellwerte können auch mit einer Hysterese behaftet sein, d.h., dass die Schwellwerte von der Veränderungsrichtung des entsprechenden Motorbetriebsparameters abhängig sind. Wenn jeder der ausgewählten Motor-35 betriebsparameter innerhalb des durch die entsprechenden Schwellwerte definierten zulässigen Wertebereichs liegt, wird von konventioneller- auf alternative Dieselverbrennung umgeschaltet. Sobald eine der verwendeten Eingangsgrößen den durch die entsprechenden Schwellwerte definierten zulässigen Wertebereich verlässt, wird von alternativer- auf konventionelle Dieselverbrennung umgeschaltet. 40Each of the selected characteristic engine parameters is at least compared with a stored threshold value. For each of the engine operating parameters used, the 30 thresholds are stored either as fixed values (e.g., upper threshold for engine speed at about 4000 rpm) or as dependent values (e.g., characteristic over engine speed, characteristic versus engine speed, and engine load). The thresholds may also be subject to hysteresis, that is, the thresholds are dependent on the direction of change of the corresponding engine operating parameter. If each of the selected engine operating parameters is within the permissible value range defined by the respective thresholds, the system switches from conventional to alternative diesel combustion. As soon as one of the input variables used leaves the permissible value range defined by the corresponding threshold values, the system switches over from alternative to conventional diesel combustion. 40
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to FIG.
Die Figur zeigt schematisch die Entscheidungsstruktur für die Betriebsartenumschaltung. Im Ausführungsbeispiel werden als charakteristische Motorbetriebsparameter die Motordrehzahl n, 45 die Motorlast L und die Katalysatortemperatur Tc ausgewählt. Die Motordrehzahl n wird mit einem oberen Schwellwert nSo verglichen. Die Motorlast L wird mit einem kennlinienbasierten oberen Schwellwert für die Motorlast LSo verglichen, welcher abhängig von der Motordrehzahl n ist. Die Katalysatortemperatur Tc wird mit einem kennfeldbasierten unteren Schwellwert für die Katalysatortemperatur TCu verglichen, welcher abhängig ist von der Motordrehzahl n und der so Motorlast L. Die Vergleichsschritte sind mit A^ A2, A3 bezeichnet. Wird in den Vergleichsschritten A1t A2, A3 festgestellt, dass Motordrehzahl n, Motorlast L und Katalysatortemperatur Tc jeweils in dem der zweiten Betriebsart zugeordneten zweiten Wertebereich liegen, welcher durch den jeweiligen Schwellwert nSo, LSo. TCu vom ersten Wertebereich getrennt ist, wird mittels einer durch Bezugszeichen B angedeuteten &-Verknüpfung die Anweisung zum Umschal-55 ten oder Verbleiben in der dem alternativen Dieselverbrennungsverfahren zugeordneten zwei-The figure shows schematically the decision structure for the operating mode changeover. In the exemplary embodiment, the engine speed n, 45, the engine load L and the catalyst temperature Tc are selected as characteristic engine operating parameters. The engine speed n is compared with an upper threshold nSo. The engine load L is compared with a characteristic-based upper threshold value for the engine load LSo, which is dependent on the engine speed n. The catalyst temperature Tc is compared with a map-based lower threshold value for the catalyst temperature TCu, which is dependent on the engine speed n and thus the engine load L. The comparison steps are denoted by A ^ A2, A3. If it is established in the comparison steps A1t A2, A3 that the engine speed n, engine load L and catalyst temperature Tc are respectively in the second value range assigned to the second operating mode, which is determined by the respective threshold value nSo, LSo. TCu is separated from the first range of values, the instruction for switching or remaining in the two-way
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM01 | Lapse because of not paying annual fees |
Effective date: 20181015 |