AT522868A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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AT522868A1
AT522868A1 ATA50703/2019A AT507032019A AT522868A1 AT 522868 A1 AT522868 A1 AT 522868A1 AT 507032019 A AT507032019 A AT 507032019A AT 522868 A1 AT522868 A1 AT 522868A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren (1) zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Abgasnachbehandlungssystem zumindest einen Dieselpartikelfilter umfasst, wobei Kraftstoff an einem für eine Verbrennung späten Zeitpunkt eines Verbrennungstaktes in Zylinder des Verbrennungsmotors nacheingespritzt wird, sodass der Kraftstoff zur Regeneration des Dieseloxidationskatalysator unverbrannt in das Abgasnachbehandlungssystem geleitet wird, wobei eine Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf (10) bestimmt wird, wobei hierfür eine Menge eines in Richtung eines Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen Kraftstoffes (3a, 3b) und eine im Ölkreislauf verdampfte Menge (4) an Kraftstoff bestimmt und verwendet wird.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Abgasnachbehandlungssystem zumindest einen Dieselpartikelfilter umfasst, wobei Kraftstoff an einem für eine Verbrennung späten Zeitpunkt eines Verbrennungstaktes in Zylinder des Verbrennungsmotors nacheingespritzt wird, sodass der Kraftstoff zur Regeneration des Dieseloxidationskatalysator unverbrannt in das
Abgasnachbehandlungssystem geleitet wird.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, bei welchen ein Dieselpartikelfilter dadurch gereinigt oder regeneriert wird, dass Rußpartikel in diesem durch eine exotherme Reaktion verbrannt werden. Beispielsweise kann Diesel oder bestimmte Additive in das Abgasnachbehandlungssystem eingespritzt werden. Hierfür sind allerdings weitere
Einspritzdüsen notwendig, was auch mit hohen Kosten verbunden ist.
Alternativ ist es möglich, eine sogenannte Nacheinspritzung durchzuführen. Dabei wird zusätzlicher Kraftstoff an einem für eine Verbrennung späten Zeitpunkt eines Verbrennungstaktes in Zylinder des Verbrennungsmotors nacheingespritzt. Durch diesen späten Zeitpunkt der Nacheinspritzung kann ein Teil des Kraftstoffes an einer Zylinderwand angelagert werden, über Kolbenringe abgestreift und dadurch in den Ölkreislauf bzw. das Öl gelangen. Durch diesen Vorgang wird das Öl der Verbrennungskraftmaschine immer mehr verdünnt und dadurch verunreinigt: Häufig notwendige Ölwechsel sind die Folge, um problematische Schädigungen beispielsweise der Motorhauptlager zu vermeiden. Solche häufig notwendigen Ölwechsel sind
allerdings kosten- und zeitintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, durch welches
ein Zeitpunkt für einen Ölwechsel genauer voraussehbar ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf
bestimmt wird, wobei hierfür eine Menge eines in Richtung eines Ölkreislaufes der
Verbrennungskraftmaschine übergetretenen Kraftstoffes und eine im Ölkreislauf
verdampfte Menge an Kraftstoff bestimmt und verwendet wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere von Vorteil, dass durch die Berücksichtigung der verdampften Menge des Kraftstoffes im Öl Intervalle zwischen Ölwechsel verlängert werden können, da es dadurch möglich ist, eine Sättigung einer Ölverdünnung durch den Kraftstoff zu simulieren. Es wird nämlich nicht nur ein Kraftstoffeintrag ins Öl, sondern auch ein Kraftstoffaustrag durch Verdampfung berücksichtigt. Im Rahmen der Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass von der Menge an Kraftstoff, welche in den Ölkreislauf und somit ins Öl übertritt ein beachtlicher, nicht zu vernachlässigbarer Anteil im Ölkreislauf wieder verdampft. Wenn auch dieser Beitrag bei der Ermittlung einer Ölverdünnung miteinbezogen wird, ist es möglich, die Kraftstoffmenge im Öl genau und zuverlässig zu bestimmen und vorherzusagen. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Rückgang einer
Kraftstoffmenge im Öl vorherzusagen oder zu simulieren.
Um einen Dieselpartikelfilter (DPF) zu regenerieren wird neben motornahen Maßnahmen Kraftstoff an einem für eine Verbrennung späten Zeitpunkt eines Verbrennungstaktes in Zylinder des Verbrennungsmotors nacheingespritzt. Der nacheingespritzte Brennstoff brennt höchstens noch teilweise im Zylinder, wodurch insbesondere die Kohlenwasserstoffe zum Abgasnachbehandlungssystem weitergeleitet werden. Der Kraftstoff, Diesel, gelangt also zumindest teilweise unverbrannt in das Abgasnachbehandlungssystem, wo dieser in einem Dieseloxidationskatalysator (DOC) verbrannt wird. Der DOC ist insbesondere unmittelbar stromaufwärts des DPF angeordnet, sodass die bei der Verbrennung im DOC durch eine exotherme Reaktion erzeugte Wärme stromabwärts davon zur Regeneration des DPF genutzt werden kann. Auch bei einem im Abgasnachbehandlungssystem angeordneten NOx-Speicherkatalysator (LNT), der durch unterstöchiometrische Verbrennung und eine Kombination von unterschiedlichen Nacheinspritzungen regeneriert wird, kann es zum Eintrag von Diesel ins Öl kommen. Ein Nebeneffekt der späten Nacheinspritzung ist, dass ein Teil des nacheingespritzen Kraftstoffes an der Zylinderwand abgelagert und über die Kolbenringe abgestreift wird, wodurch es zu einem Eintrag von Kraftstoff in den Ölkreislauf kommt. Während einer
Regenerationsphase des DPF, während welcher Kraftstoff nacheingespritzt wird,
können ca. 10 % bis 20 % des nacheingespritzten Kraftstoffes in den Ölkreislauf übertreten. Eine Regenerationsphase kann zwischen 10 min und 30 min dauern, wobei an bzw. nach jedem Verbrennungstakt in dieser Zeitspanne zumindest einmal Kraftsoff nacheingespritzt wird, d.°h. während der gesamten Regenerationsphase wird oftmals nacheingespritzt. Bei einer Nacheinspritzung können beispielsweise etwa 10 mg Kraftstoff nacheingespritzt werden. Es wurde herausgefunden, dass ein nicht unbeachtlicher Teil des Kraftstoffes im Öl aufgrund lokal höherer Temperaturen wieder verdampft. Diesel verdampft zudem bei niedrigeren Temperaturen als Öl. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind durch die Berücksichtigung der Verdampfung des Kraftstoffes im Öl genauere Vorhersagen möglich, wie viel das Öl durch Kraftstoff
verdünnt ist. Ein Ölwechselintervall kann also entsprechend verlängert werden.
Bei einem Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung handelt es sich in der Regel um einen Dieselmotor, welcher insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Ein entsprechendes Abgasnachbehandlungssystem kann neben dem DPF auch einen DOC, einen LNT und/oder zumindest einen SCR-Katalysator sowie zumindest einen Injektor zum Eindosieren von Nachbehandlungsfluid umfassen. Als Verbrennungstakt ist jener Takt des Diesell-4-Takt-Motors zu verstehen, bei welchem Diesel in komprimierte Luft eingespritzt wird und sich entzündet. Der unverbrannte Kraftstoff wird zusammen mit Abgas in das Abgasnachbehandlungssystem geleitet, wo dadurch der DPF regeneriert wird. Unter Reinigung des DPF ist im Rahmen der Erfindung eine
Regeneration desselben zu verstehen.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine Menge eines in Richtung eines Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen Kraftstoffes für jede Nacheinspritzung und/oder jede Einheit davon simuliert wird, wobei hierfür insbesondere auch eine Geschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine und eine
Motorlast als Eingangsgrößen verwendet werden.
Es ist von Vorteil, wenn Kraftstoff zumindest zweimal pro Verbrennungstakt nacheingespritzt wird, wobei eine erste Menge Kraftstoff an einem Zeitpunkt nacheingespritzt wird, an welchem noch verbrannt wird und eine zweite Menge Kraftstoff an einem Zeitpunkt nacheingespritzt wird, an welchem die Verbrennung vorbei ist. Durch die zweimalige Einspritzung während eines Verbrennungstaktes kann
die Menge, welche in das Abgasnachbehandlungssystem gelangt, besser dosiert und
kontrolliert werden. Der erste Zeitpunkt wird dabei so gewählt, dass die Verbrennung noch ein bisschen brennt; beim zweiten Zeitpunkt brennt es im Zylinder nicht mehr. Auch können diese Nacheinspritzungen entsprechend „gesplittet“ oder aufgeteilt werden, sofern es die Softwarefunktionalitäten zulassen. Die Regenerationsphase dauert in der Regel etwa 20 min bis 30 min, wobei während dieser Phase mehrmals Kraftstoff nacheingespritzt wird. Die Regenerationsphase beinhalten somit natürlich
auch mehrere Verbrennungstakte.
Günstig ist es dabei, wenn eine Menge eines in Richtung eines Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen Kraftstoffes für jede Nacheinspritzung einzeln bestimmt wird. Das heißt, die bei der ersten Nacheinspritzung übergetretene Menge an Kraftstoff und die bei der zweiten Nacheinspritzung übergetretene Menge an Kraftstoff werden unabhängig voneinander bestimmt. Ein Zeitpunkt und insbesondere auch eine Menge an nacheingespritzten Kraftstoff sind kalibrationsabhängig. Der Zustand zur Auslösung der DPF Regeneration kann vom DPF an eine Steuereinheit weitergegeben oder von der Steuereinheit simuliert werden, wobei die Steuereinheit dann auch die Nacheinspritzungen veranlasst. Dadurch, dass die Menge an nacheingespritzten Kraftstoff kalibrationsabhängig ist, kann auch ein Übertritt des Kraftstoffes in den Ölkreislauf für alle Einspritzungen einzeln berechnet sein. Es kann sein, dass beim ersten Mal Einspritzen unterschiedlich viel Kraftstoff ins Öl übertritt,
auch wenn die gleiche Menge an Kraftstoff nacheingespritzt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Nacheinspritzung des Kraftstoffes in zumindest zwei Einheiten aufgeteilt wird. Günstigerweise wird jede einzelne Nacheinspritzung in zumindest zwei Einheiten aufgeteilt, wobei eine vorgesehene Menge an Kraftstoff auf zwei oder mehr Einheiten aufgeteilt werden kann, welche gleich oder ungleich groß sein können. Ein Kraftstoffinjektor öffnet also pro Nacheinspritzung zwei oder mehr mal. Dadurch wird erreicht, dass in Summe weniger unverbrannter Kraftstoff an den Zylinderwänden abgeschieden wird und somit in den Ölkreislauf gelangt. Ein Übertritt von Kraftstoff in den Ölkreislauf ist nämlich auch davon abhängig, wie Lange Kraftstoff auf die Zylinderwände trifft bzw. wie lange die Öffnungszeiten des Kraftstoffinjektors sind. Insbesondere werden die zwei oder mehr Einheiten unmittelbar nacheinander eingespritzt. Eine Menge an Kraftstoff pro Nacheinspritzung kann auch in drei oder
mehr Einheiten aufgeteilt werden. Durch die Aufteilung in zumindest zwei Einheiten,
insbesondere in vier Einheiten, wird die Menge, welche in den Ölkreislauf gelangt um bis zu 70 % gesenkt. Werden die Nacheinspritzungen in zwei oder mehr Einheiten aufgeteilt, dann fließt eine Anzahl der Einheiten auch in die Simulation der Menge eines in Richtung eines Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen
Kraftstoffes als Eingangsparameter hinein
Zweckmäßig ist es, wenn eine im Ölkreislauf verdampfte Menge an Kraftstoff an allen Taktzeitpunkten bestimmt wird, wobei die verdampfte Menge insbesondere von einer Kühlmitteltemperatur, einer Öltemperatur und einer Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf abhängig ist. Die verdampfte Menge an Kraftstoff wird insbesondere über ein mathematisches Modell berechnet, wobei die Kühlmitteltemperatur mit einem physischen oder virtuellen Sensor und die Öltemperatur mit einem physischen oder virtuellen Sensor vorgegeben oder bestimmt wird. Es wurde festgestellt, dass die Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf eine Verdampfung des Kraftstoffes derart beeinflusst, dass je mehr Kraftstoff im Ölkreislauf ist, überproportional mehr Kraftstoff verdampft wird. Kraftstoff im Öl wird betriebspunktabhängig und abhängig von Öl- und Kühlmitteltemperatur sowie dem Ölverdünnungslevel verdampft und kann in jedem Motorbetriebsmodus erfolgen (Normalmodus, Heizmodus, DPF-Regenerationsmodus,
und andere Modi).
Es ist von Vorteil, wenn die Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf in einer Steuereinheit der Verbrennungskraftmaschine modelliert wird, wobei eine Ölverdünnung berechnet wird. Als Eingangsparameter werden dabei eine während einer gesamten Regegenerationszeit kumulierte erste Menge Kraftstoff und eine während einer gesamten Regegenerationszeit kumulierte zweite Menge Kraftstoff sowie eine Menge an verdampften Kraftstoff verwendet. Die Verdampfung des Kraftstoffs wird wie oben beschrieben für alle Motorbetriebsmodi modelliert (also betriebsartunabhängig). Es kann vorgesehen sein, dass weiter ein Umwandlungsfaktor als Eingangsparameter verwendet wird, wobei dieser in alle anderen Eingangsparameter einfließt. Alle diese Eingangsparameter und andere Werte werden integriert, wodurch eine gesamte Ölverdünnung simuliert wird. Insbesondere ist günstigerweise vorgesehen, dass in einem ersten Schritt die einzelnen Werte zur ersten Menge, die einzelnen Werte zur zweiten Menge und der Wert zur Verdampfung jeweils über die Zeitspanne der
Regeneration kumuliert werden und in einem zweite Schritt die dadurch berechneten
werde kumuliert werden, um schließlich einen Wert für eine Ölverdünnung zu ermitteln. Im Rahmen der Erfindung wird die Menge an Kraftstoff, welche sich im Ölkreislauf
befindet, in der Regel als Ölverdünnung bezeichnet.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass Menge des in Richtung des Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen Kraftstoffes pro Nacheinspritzung und die im Ölkreislauf verdampfte Menge an Kraftstoff kumuliert werden, um die Ölverdünnung zu berechnen und der Wert der Ölverdünnung in der Steuereinheit gespeichert und insbesondere durch eine Ausgabeeinheit ausgegeben wird. Beispielsweise kann die Steuerreinheit einem Lenker eines Kraftfahrzeuges ausgeben werden, wobei diesem mitgeteilt wird, dass nach einer durch die Steuerreinheit festgelegten Zeiteinheit ein Ölwechsel durchgeführt werden muss. Es kann auch eine Warnlampe durch die Steuereinheit aktiviert und/oder einfach ein Wert für eine Ölverdünnung ausgegeben werden. Vor einem Aktivieren der Warnlampe wird der simulierte Wert für die Ölverdünnung mit einem vorher festgelegten Maximalwert für die Ölverdünnung verglichen. Ist der Wert der ermittelten Ölverdünnung größer als der Maximalwert, wird beispielsweise eine Warnlampe aktiviert und/oder der Fahrer in die Werkstatt zum
Ölwechsel gebeten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen sind nachfolgenden Ausführungsbeispiel
beschrieben. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1. Dabei wird zur Regeneration eines DPF für etwa 30 min zweimal pro Verbrennungstakt Kraftstoff an einem für eine Verbrennung späten Zeitpunkt eines Verbrennungstaktes in Zylinder des Verbrennungsmotors nacheingespritzt, wobei bei einer Nacheinspritzung einer ersten Menge an Kraftstoff die Verbrennung im Zylinder noch ein wenig brennt und bei einer Nacheinspritzung einer zweiten Menge an Kraftstoff die Verbrennung bereits vollständig vorbei ist. Bei diesen Nacheinspritzungen gelangt zwischen 10 % und 20 % des jeweils eingespritzten Kraftstoffes in den Ölkreislauf und verdünnt das Öl. Wie hoch ein Gesamtübertritt über eine gesamte Zeitspanne der Regeneration ist, ist abhängig davon, ob und wie oft eine Nacheinspritzung aufgeteilt wird, von einer
Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors und von einer Motorlast sowie von der
Auslegung und Kalibrierung des Einspritzsystems sowie des Motorraums, Alle diese Eingangsfaktoren werden über eine Simulation kumuliert, um einen Wert für eine Menge des Kraftstoffes, weicher in den Ölkreislauf übertritt, zu erhalten. Dies wird für die erste und die zweite Nacheinspritzung pro Verbrennungstakt separat durchgeführt. Darüber hinaus wird auch ein Wert für eine Ölverdampfung bestimmt. Hierbei sind die Temperatur der Kühlflüssigkeit, die Öltemperatur und die Kraftstoffimenge im Öl Eingangsfaktoren, welche die verdampfite Menge des Krafistoffes bestimmen. Da eine Verdampfung nicht nur während der Regeneration erfolgt, wird diese auch während eines insbesondere gesamten Betriebes des Verbrennungsmotors bestimmt. Diese drei bestimmten Mengen, die beim ersten Nacheinspritzen in den Ölkreislauf übergetretene Menge 3a des Kraftstoffes, die beim zweiten Nacheinspritzen in den Ölkreislauf übergetretene Menge 3b des Kraftstoffes und die verdampfie Menge 4 an Kraftstoff werden kumuliert SK, wobei vor dem Kumulieren SK zu jeder Menge 3a, 3b, 4 ein Umrechnungsfaktor 5 miteinfließt. In einer Steuereinheit 6 werden die so erhaltenen Daten verarbeitet, wobei noch weitere Faktoren 7, 8, 9 wie ein erfolgter Ölwechsel 9 mit einfließen können. Im nächsten Schritt wird über eine Integration SI eine Ölverdünnung 10 oder eine Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf 10 berechnet. Diese kann dann noch mit einem vorher festgelegten Maximalwert 11 für die Ölverdünnung 10 verglichen werden: Ist der Wert der ermittelten Ölverdünnung 10 größer als der Maximalwert 11, wird eine Warnlampe 12 aktiviert oder der Fahrer zum Ölwechsel gebeten. Darüber hinaus kann aufgrund der erfindungsgemäß bestimmten Ölverdünnung 10 eine Restlaufzeit 13 bis zum nächsten Ölwechsel bestimmt oder/oder ausgegeben werden. Der durch das Integrieren SI bestimmte Wert kann wiederum als Eingangsparameter zur Bestimmung der verdampften Menge 4 an Kraftstoff und/oder als Eingangsparameter zur Kumulation SK verwendet werden. Die hier beschriebenen
Verfahrensschritte sind in Fig. 1 durch Pfeile dargestellt.

Claims (7)

Patentansprüche
1. Verfahren (1) zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Abgasnachbehandlungssystem zumindest einen Dieselpartikelfilter umfasst, wobei Kraftstoff an einem für eine Verbrennung späten Zeitpunkt eines Verbrennungstaktes in Zylinder des Verbrennungsmotors nacheingespritzt wird, sodass der Kraftstoff zur Regeneration des Dieseloxidationskatalysator unverbrannt in das Abgasnachbehandlungssystem geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf (10) bestimmt wird, wobei hierfür eine Menge eines in Richtung eines Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen Kraftstoffes (3a, 3b) und eine im Ölkreislauf verdampfte Menge (4) an Kraftstoff
bestimmt und verwendet wird.
2. Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff zumindest mehrmals pro Verbrennungstakt nacheingespritzt wird, wobei eine erste Menge Kraftstoff an einem Zeitpunkt nacheingespritzt wird, an welchem noch verbrannt wird und eine zweite Menge Kraftstoff an einem Zeitpunkt nacheingespritzt wird, an
welchem die Verbrennung vorbei ist.
3. Verfahren (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge eines in Richtung eines Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen
Kraftstoffes (3a, 3b) für jede Nacheinspritzung einzeln bestimmt wird.
4. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nacheinspritzung des Kraftstoffes in zumindest zwei Einheiten aufgeteilt wird.
5. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Ölkreislauf verdampfte Menge (4) an Kraftstoff an allen Taktzeitpunkten bestimmt wird, wobei die verdampfte Menge (4) insbesondere von einer Kühlmitteltemperatur, einer Öltemperatur und einer Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf
abhängig ist.
6. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Menge von Kraftstoff im Ölkreislauf in einer Steuereinheit (6) der
Verbrennungskraftmaschine modelliert wird, wobei eine Ölverdünnung (10) berechnet
wird.
7. Verfahren (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, die Menge des in Richtung des Ölkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine übergetretenen Kraftstoffes (3a, 3b) pro Nacheinspritzung und die im Ölkreislauf verdampfte Menge (4) an Kraftstoff kumuliert (SK) werden, um die Ölverdünnung (10) zu berechnen und der Wert der Ölverdünnung (10) in der Steuereinheit (6) gespeichert und insbesondere durch eine
Ausgabeeinheit ausgegeben wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1983165A1 (de) * 2007-04-18 2008-10-22 International Engine Intellectual Property Company, LLC System und Verfahren zur Quantifizierung der Motorölverdünnung wegen Nacheinspritzung zum Zwecke der Regeneration einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung
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