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DE102014017124B4 - Verfahren und Steuerungseinrichtung zum Betreiben eines Motors - Google Patents

Verfahren und Steuerungseinrichtung zum Betreiben eines Motors Download PDF

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DE102014017124B4 DE102014017124.8A DE102014017124A DE102014017124B4 DE 102014017124 B4 DE102014017124 B4 DE 102014017124B4 DE 102014017124 A DE102014017124 A DE 102014017124A DE 102014017124 B4 DE102014017124 B4 DE 102014017124B4
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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines vorzugsweise als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors, der mehrere Zylinder (2) umfasst, wobei zur Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs aus einem gasförmigen Kraftstoff und Luft das Gas/LuftGemisch unter Verwendung eines Zündfluids in den Zylindern (2) gezündet wird, wobei im Bereich jedes Zylinders (2) für einen Arbeitstakt desselben zuerst der gasförmige Kraftstoff und die Luft des Gas/Luft-Gemischs und anschließend das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird, wobei für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders (2) das Zündfluid in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders (2) derart zwischen den Einspritzungen verteilt wird, dass bei der ersten Einspritzung für das Zündfluid zwischen 60% und 80% und bei der zweiten Einspritzung für das Zündfluid zwischen 20% und 40% der Gesamt-einspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motors.
  • Aus der Praxis sind sogenannte Dual-Fuel-Motoren bekannt, in denen einerseits in einem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus ein flüssiger Kraftstoff wie Diesel und andererseits in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus ein gasförmiger Kraftstoff wie Erdgas verbrannt werden kann. Im Gaskraftstoffbetriebsmodus eines solchen Dual-Fuel-Motors wird in der Regel ein mageres Gas/Luft-Gemisch in die Zylinder des Motors eingebracht und durch die Zündenergie eines ebenfalls in die Zylinder eingebrachten Zündfluids gezündet. So verfügt ein Dual-Fuel-Motor über ein Zündfluid-Einspritzsystem, wobei ein Zündfluid-Einspritzsystem eine für mehrere Zylinder gemeinsame Zündfluid-Förderpumpe, einen für die mehreren Zylinder gemeinsamen Zündfluid-Speicher und für die mehreren Zylinder individuelle Zündfluid-Injektoren umfasst. Das Zündfluid wird dabei nach der Praxis in den jeweiligen Zylinder kurz vor einem sogenannten oberen Totpunkt eines Kolbens des jeweiligen Zylinders in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebracht, und zwar in bzw. mit einer einzigen Einspritzung je Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders.
  • US 2012 / 0 325 180 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Motors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • DE 10 2013 013 755 A1 , US 8 322 325 B2 , DE 10 2012 012 450 A1 und US 2011 / 0 005 491 A1 offenbaren weiteren Stand der Technik.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zum Betreiben eines Motors zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders das Zündfluid in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen in den jeweiligen Zylinder eingebracht.
  • Dadurch, dass erfindungsgemäß das Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen in den jeweiligen Zylinder eingebracht wird, kann die Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs in dem jeweiligen Zylinder des Motors verbessert und damit der Wirkungsgrad des Motors gesteigert werden.
  • Erfindung wird eine Einspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders derart zwischen den Einspritzungen verteilt, dass bei der ersten Einspritzung zwischen 60% und 80% und bei der zweiten Einspritzung zwischen 20% und 40% der Gesamteinspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt in den jeweiligen Zylinder eingebracht wird. Hiermit die Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs weiter verbessert und der Wirkungsgrad des Motors besonders weiter gesteigert werden. Hiermit kann die Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs in dem jeweiligen Zylinder des Motors weiter verbessert und damit der Wirkungsgrad des Motors weiter gesteigert werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders das Zündfluid in einer ersten Einspritzung mit einem ersten Einspritzbeginn, der in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 90°KW vor OT und 30°KW vor OT, bevorzugt in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 85°KW vor OT und 35°KW vor OT, besonders bevorzugt in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 70°KW vor OT und 40°KW vor OT, liegt, und in einer zweiten Einspritzung mit einem zweiten Einspritzbeginn, der in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 40°KW vor OT und 20°KW vor OT liegt, in den jeweiligen Zylinder eingebracht, wobei der zweite Einspritzbeginn der zweiten Einspritzung nach einem ersten Einspritzende der ersten Einspritzung liegt. Hiermit kann die Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs in dem jeweiligen Zylinder des Motors weiter verbessert und damit der Wirkungsgrad des Motors weiter gesteigert werden.
  • Die Mengen können von Zylinder zu Zylinder unterschiedlich sein. So kann jeder Zylinder am Optimum betrieben werden, insbesondere dann, wenn der Motor über eine zylinderindividuelle Regelung verfügt.
  • Die Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 8 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 ein Blockschaltbild eines als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors,
    • 2: ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines vorzugsweise als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors.
  • In 1 sind Baugruppen eines Dual-Fuel-Motors gezeigt, wobei 1 einen Zylinder 2 eines solchen Motors zeigt.
  • Der Zylinder 2 verfügt über einen Zylinderkopf 3. Im Zylinder 2 bewegt sich ein Kolben 4, der von einem Pleuel 5 geführt ist, auf und ab. Im Zylinderkopf 3 ist ein Kraftstoffinjektor 6 befestigt, durch den flüssiger Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, über eine Kraftstoffleitung 7 und/oder einem Kraftstoffspeicher von einer Kraftstoffpumpe 8 aus direkt in einen Brennraum 9 des Zylinders 2 eingespritzt werden kann. Die Kraftstoffpumpe 8 wird dabei vorzugsweise ausgehend von einer Kurbelwelle des Motors angetrieben. Der Kraftstoffinjektor 6, die Kraftstoffleitung 7 sowie die Kraftstoffpumpe 8 sind Elemente einer Kraftstoffzuführeinrichtung, die der Zuführung von flüssigem Kraftstoff in den Brennraum 9 des Zylinders 2 dient. Diese Kraftstoffzuführeinrichtung ist dann aktiv, wenn im Zylinder 2 des Dual-Fuel-Motors als Kraftstoff flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, verbrannt wird, also in einem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus des Dual-Fuel-Motors.
  • Zur Verbrennung des flüssigen Kraftstoffs ist in den jeweiligen Zylinder 2 des Dual-Fuel-Motors weiter Ladeluft 10 über ein Einlassventil 17 einbringbar, wobei bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehendes Abgas 15 über ein Auslassventil 18 vom Zylinder 2 abgeführt werden kann.
  • Im Brennraum 9 des Zylinders 2 des Dual-Fuel-Motors kann in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus als Kraftstoff auch Gas verbrannt werden. Hierzu umfasst der Dual-Fuel-Motor eine Gemischbildungseinheit 20, in der ein Gemisch aus Verbrennungsluft 10 und Gas, welches der Gemischbildungseinheit 20 über eine Gasversorgungsleitung 21 bereitgestellt wird, gebildet wird, wobei dieses Gas-Luft-Gemisch in den Brennraum 9 des Zylinders 2 über das Einlassventil 17 eingebracht wird. Auch bei der Verbrennung von Gas entsteht Abgas 15, welches über das Auslassventil 18 vom Zylinder 2 abgeführt werden kann.
  • Zur Zündung des Gas-Luft-Gemischs im Gaskraftstoffbetriebsmodus des Zylinders 2 des Dual-Fuel-Motors dient Zündfluid, welches in einen weiteren Brennraum 11 des Zylinders mit Hilfe eines Zündfluid-Injektors 13 eingebracht werden kann, wobei dieser weitere Brennraum 11 des Zylinders 2 mit dem Brennraum 9 über mindestens einen Verbindungskanal 12 gekoppelt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass das Zündfluid auch direkt in den Brennraum 9 eingebracht werden kann.
  • Der Zündfluid-Injektor 13 des in 1 gezeigten Zylinders 2 ist Bestandteil eines Zündfluid-Einspritzsystems des Motors, wobei das Zündfluid-Einspritzsystem für jeden Zylinder 2 des Motors einen individuellen Zündfluid-Injektor 13 umfasst. Die Zündfluid-Injektoren 13 sind über eine Zündfluid-Leitung 14 ausgehend von einem gemeinsamen Zündfluid-Speicher 22 des Zündfluid-Einspritzsystems mit Zündfluid versorgbar, wobei dem Zündfluid-Speicher 22 eine Zündfluid-Förderpumpe 16 zugeordnet ist, die den Zündfluid-Speicher 22 mit Zündfluid versorgt. Bei der Zündfluid-Förderpumpe 16 handelt es sich vorzugsweise um eine elektrisch betriebene Hochdruckpumpe. Der Zündfluid-Förderpumpe 16 ist dabei eine Saugdrossel 19 zugeordnet.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details, mit Hilfe derer im Gaskraftstoffbetriebsmodus des Dual-Fuel-Motors das Gas bzw. das Gas/Luft-Gemisch optimal mit hohem Wirkungsgrad verbrannt werden kann.
  • Im Gaskraftstoffbetriebsmodus des Dual-Fuel-Motors wird für jeden Arbeitstakt eines Zylinders 2 in den Brennraum 9 des jeweiligen Zylinders 2 zunächst das Gas/Luft-Gemisch und anschließend das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht wird. Dabei wird erfindungsgemäß das Zündfluid je Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders 2 in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht, und nicht wie in der Praxis üblich mit einer einzigen Einspritzung je Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders 2.
  • Für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders 2 wird das Zündfluid in einer ersten Einspritzung mit einem ersten Einspritzbeginn, der in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 90°KW vor OT und 30°KW vor OT liegt, in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht. Bevorzugt liegt der erste Einspritzbeginn der ersten Zündfluid-Einspritzung zwischen 85°KW vor OT und 35°KW vor OT. Besonders bevorzugt liegt der erste Einspritzbeginn der ersten Zündfluid-Einspritzung zwischen 80°KW vor OT und 40°KW vor OT. KW steht für Kurbelwellenwinkel und OT steht für den oberen Totpunkt des Kolbens 4 des jeweiligen Zylinders 2.
  • Für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders 2 wird das Zündfluid darauffolgend in einer zweiten Einspritzung mit einem zweiten Einspritzbeginn, der in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 40°KW vor OT und 20°KW vor OT liegt, in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht, wobei der zweite Einspritzbeginn der zweiten Zündfluid-Einspritzung liegt nach einem ersten Einspritzende der ersten Zündfluid-Einspritzung liegt.
  • Zwischen dem Einspritzbeginn und dem Einspritzende einer Zündfluid-Einspritzung vergehen bzw. liegen typischerweise 2°KW bis 15°KW. Eine Zündfluid-Einspritzung, die bei 40°KW vor OT beginnt, endet demnach typischerweise zwischen 36°KW vor OT und 32°KW vor OT.
  • Eine Einspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders 2 wird erfindungsgemäß derart zwischen den Zündfluid-Einspritzungen, nämlich zwischen der ersten Einspritzung für das Zündfluid und der zweiten Einspritzung für das Zündfluid, verteilt bzw. aufgeteilt, dass bei der ersten Zündfluid-Einspritzung zwischen 60% und 80% und bei der zweiten Zündfluid-Einspritzung zwischen 20% und 40% der Gesamteinspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht wird.
  • Mit der Erfindung kann die Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs in dem jeweiligen Zylinder 2 des Motors verbessert und damit der Wirkungsgrad des Motors gesteigert werden. So verdeutlicht 2 mit einem Kurvenverlauf 23 einen Brennverlauf eines Gas/Luft-Gemischs, der sich nach der Praxis während eines Arbeitstakt in einem Zylinder 2 einstellt, also dann, wenn das Zündfluid mit einer einzigen Einspritzung je Arbeitstakt in den Zylinder 2 eingebracht wird. Der Brennverlauf 24 der 2 verdeutlicht eine Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs, die sich nach der Erfindung während eines Arbeitstakt in einem Zylinder 2 einstellt, also dann, wenn das Zündfluid in mindestens zwei aufeinander folgenden Einspritzungen je Arbeitstakt in den Zylinder 2 eingebracht wird, wobei ein Einspritzbeginn einer ersten Einspritzung beim Kurbelwellenwinkel α1 und ein Einspritzbeginn einer zweiten Einspritzung beim Kurbelwellenwinkel α2 liegt. In 2 ist über dem Kurbelwellenwinkel α in °KW die bereitgestellte Verbrennungsenergie E in kJ aufgetragen. 2 kann entnommen werden, dass bei Nutzung der Erfindung die Verbrennung schneller und stabiler ist, die Verbrennung eine höhere maximale Umsetzrate und einen verbesserten Ausbrand aufweist. Insgesamt kann der Wirkungsgrad des Motors gesteigert werden.
  • Zwischen der ersten Einspritzung des Zündfluids und der zweiten Einspritzung des Zündfluids und/oder nach der zweiten Einspritzung des Zündfluids kann eine weitere Einspritzung an Zündfluid erfolgen, deren Einspritzbeginn nach einem Einspritzende der jeweils vorausgegangen Zündfluid-Einspritzung liegt. In diesem Fall wird das Zündfluid in mindestens drei Einspritzungen je Arbeitstakt in den jeweiligen Zylinder 2 des Motors eingebracht. Hiermit kann die Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs in dem jeweiligen Zylinder 2 des Motors weiter verbessert und damit der Wirkungsgrad des Motors weiter gesteigert werden.
  • Die Erfindung wird vorzugsweise bei Dual-Fuel-Motoren im Gaskraftstoffbetriebsmodus genutzt. Die Erfindung kann jedoch auch bei Motoren zum Einsatz kommen, in denen ausschließlich ein gasförmiger Kraftstoff unter Verwendung eines Zündfluids verbrannt wird, die also im Unterschied zu Dual-Fuel-Motoren über keinen Flüssigkraftstoffbetriebsmodus verfügen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinrichtung eines Motors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei der Steuerungseinrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Motorsteuergerät. Dasselbe umfasst Mittel zur Durchführung des Verfahrens, wobei es sich bei diesen Mitteln um hardwareseitige Mittel und um softwareseitige Mittel handelt. Die hardwareseitigen Mittel umfassen Datenschnittstellen, um mit den an der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beteiligten Baugruppen Daten auszutauschen. Weiterhin umfassen die hardwareseitigen Mittel einen Speicher zur Datenspeicherung und einen Prozessor zur Datenverarbeitung. Bei softwareseitigen Mitteln handelt es sich um Programmbausteine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines vorzugsweise als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors, der mehrere Zylinder (2) umfasst, wobei zur Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs aus einem gasförmigen Kraftstoff und Luft das Gas/LuftGemisch unter Verwendung eines Zündfluids in den Zylindern (2) gezündet wird, wobei im Bereich jedes Zylinders (2) für einen Arbeitstakt desselben zuerst der gasförmige Kraftstoff und die Luft des Gas/Luft-Gemischs und anschließend das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird, wobei für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders (2) das Zündfluid in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders (2) derart zwischen den Einspritzungen verteilt wird, dass bei der ersten Einspritzung für das Zündfluid zwischen 60% und 80% und bei der zweiten Einspritzung für das Zündfluid zwischen 20% und 40% der Gesamt-einspritzmenge an Zündfluid für den jeweiligen Arbeitstakt in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders (2) das Zündfluid in einer ersten Einspritzung mit einem ersten Einspritzbeginn, der in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 90°KW vor OT und 30°KW vor OT liegt, in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einspritzbeginn in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 85°KW vor OT und 35°KW vor OT liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einspritzbeginn in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 80°KW vor OT und 40°KW vor OT liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders (2) das Zündfluid in einer zweiten Einspritzung mit einem zweiten Einspritzbeginn, der in einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 40°KW vor OT und 20°KW vor OT liegt, in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird, wobei der zweite Einspritzbeginn der zweiten Einspritzung nach einem ersten Einspritzende der ersten Einspritzung liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Einspritzung für das Zündfluid und der zweiten Einspritzung für das Zündfluid und/oder nach der zweiten Einspritzung für das Zündfluid eine weitere Einspritzung für das Zündfluid erfolgt, deren Einspritzbeginn nach dem Einspritzende der jeweils vorausgegangen Einspritzung liegt.
  7. Steuerungseinrichtung eines Motors, gekennzeichnet durch Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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