CN106194465B - 在怠速运转中用于减小颗粒数的稀燃运行 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在怠速运转中用于减小颗粒数的稀燃运行。用于装置（V）的运行方法，所述装置具有：内燃机，所述内燃机能够以稀燃运行及化学计量的运行来运行；曲轴箱（1）；至少一个燃烧室（4）；以及优选节流元件（11），增压空气通过所述节流元件能够从增压空气冷却器输送给所述燃烧室（4），其中，所述内燃机在怠速运转中转换到稀燃运行且以所述稀燃运行来运行，从而尤其在所述曲轴箱（1）与所述燃烧室（4）之间的压力差减小。

Description

在怠速运转中用于减小颗粒数的稀燃运行
技术领域
本发明涉及一种用于具有内燃机的装置的运行方法，该内燃机能够以稀燃运行及化学计量的运行来运行。此外设置有曲轴箱、至少一个燃烧室及优选节流元件，通过该节流元件能够将增压空气从增压空气冷却器输送给燃烧室。
背景技术
在燃气发动机中出现出乎意料地高的微尘颗粒的排放，这以高的颗粒数目在对于EURO Vl发动机规定的验收循环（Abnahmezyklus）WHTC（World Harmonized TransientCycle）中能够觉察到。颗粒排放在整个30分钟的循环中不提高，而是尤其在怠速运转阶段之后表现得处于很高的排放峰中。
产生机制解释如下：
由于奥托发动机的燃烧方法，在怠速运转中节流阀门（通过其能够将增压空气从增压空气冷却器输送给燃烧室）关闭直至一小的空隙。在抽吸弯管中产生相对周围的负压。在抽吸行程期间也在发动机的燃烧室中出现负压，因此在燃烧室中也出现相对发动机的曲轴箱的负压。其结果是：空气从曲轴箱中被吸到燃烧室中（Reverse Blow By）。通过空气运动，发动机油从衬套/活塞的区域被运送到燃烧室中。由于在怠速运转中燃烧强度低，油在燃烧室中积聚。在较长的怠速运转阶段之后进行负荷增加，所积聚的油由于火焰强度提高在短的时间段内燃烧。通过未燃烧的油剩余物（油灰）产生高的颗粒排放。该效应通过以下方法增强，即位于燃烧室中的油量在燃料配量时未被考虑。在燃烧室中存在氧气缺乏，这提升了颗粒排放。
发明内容
本发明任务是提供减小排放的颗粒的数目的可行方案。
该任务能够利用独立权利要求的特征来实现。本发明的有利的改进方案能够从从属权利要求以及本发明的优选的实施方式的下面的说明中获知。
本发明提供用于如下的装置的运行方法，该装置具有：能够以稀燃运行及化学计量的运行来运行的内燃机（例如发动机、燃气发动机、奥托发动机或能够以奥托发动机的燃烧方法运行的其它燃烧发动机）；曲轴箱；至少一个燃烧室及优选节流元件、例如节流阀门、阀等，通过其能够将增压空气从增压空气冷却器输送给燃烧室。
该运行方法的突出之处尤其在于：内燃机在怠速运转中转换到稀燃运行且以稀燃运行来运行，从而优选在曲轴箱中产生负压且/或在曲轴箱与燃烧室之间的压力差能够减小。
对于内燃机、如尤其燃气发动机、奥托发动机或其它能够以奥托发动机的燃烧方法运行的燃烧发动机，在怠速运转中油在燃烧室中积聚，这尤其在接上负荷时导致高的废气颗粒排放。为了将到燃烧室中的油输入最小化，根据本发明在内燃机的怠速运转中转换到稀燃运行。
在燃烧室与曲轴箱之间的压力差降低有利地引起到燃烧室中的油输入减小且/或反向漏气（Reverse-Blow-By）减小，结果是废气颗粒数排放减小。
通过在怠速运转中转换到稀燃运行，空气需求提高，尤其明显地提高。尤其通过节流元件能够将增压空气从增压空气冷却器输送给燃烧室，其中，在稀燃运行中节流元件有利地打开得比在化学计量的运行中的得宽。因此在抽吸弯管中的和/或在燃烧室中的压力提高。
排放等级EURO VI的发动机必须满足相关的EU立法的严格的废气规定。在当今的现有技术中通常排放极限值的遵守通过在整个特性场区域中λ=1的情况下的化学计量的运行、利用紧接着在三元催化器中的废气后处理实现。
由于在怠速运转中的稀燃运行，不再给出NOx排放的减小。为了遵守用于NOx的排放极限值，在怠速运转中NOx原始排放必须很低。由于在稀燃运行中较低的燃烧温度，在燃烧期间仅产生低的NOx排放。
在例如三元催化器中，从CO到CO2的氧化在稀燃运行中即使在废气温度较低时也给出。而碳氢化物HC的氧化的、尤其从甲烷（CH4）至二氧化碳和水的效率在稀燃运行中废气温度较低时急剧地减小。因此此处还必须使原始排放被调节得低。
排放极限值的遵守通过以下措施中的一个或多个实现：
-在失火极限处、尤其尽可能靠近失火极限地准确地、适应性地调节λ
-优化用于提供要求的点火能量的点火设备
-应用现今的点火策略和/或先进的高性能点火设备（尤其在怠速运转中的双点火、电晕放电点火和/或激光点火）
-利用相应的措施（例如提高点火能量，匹配点火策略且/或对燃料-空气混合物加浓）识别失火。
原则上在主动地负荷变换的情况下内燃机在稀燃运行中的差的响应特性是个问题。根据本发明能够通过合适的控制技术上的措施抵制该问题。由此能够由怠速运转运行在有负荷要求的情况下直接从稀燃运行转换到化学计量的运行。因为要求更高的负荷，所以这能够有利地很快地在节流元件打开位置恒定的情况下实现。另外的负荷提高优选在保持现在的化学计量的运行的情况下实现或者例如为了清除在消声器中所积聚的氧气，有利地利用燃料过剩、即在加浓运行中实现。
稀燃运行的效率随着稀燃程度、也就是说随着λ上升而上升。
然而燃料-空气混合物的点火能力通过最大的λ、即失火极限限制。
失火极限主要与燃料组成相关且因此不是恒定的参数。为了使发动机尽可能靠近失火极限运行，λ期望值能够作为目标值输入到特性场中且在要求的稀燃运行的情况下借助于以封闭的调节回路的λ调节、在包括在催化器之前的及在催化器之后的λ传感器的测量值的情况下被调节。点火能量能够利用非最大的、但有利地高的值来给出。借助于例如凸轮轴的转速传感器以及借助于曲轴的转速传感器优选地监控：燃烧是否在所有的气缸中发生。为此能够观察曲轴在工作行程中在混合物点火之后的加速。如果在被观察的时间段中没有发生能够测量的加速，这能够解释为点火失火。因此有利地提高点火能量。如果点火能量的提高没有效果，那么使混合物不同于在特性场中的目标值在能够应用的步骤中优选最小地加浓，直至发动机稳定地、也就是说无失火地运转。紧接着，发动机控制机构能够缓慢地再将混合物朝着目标值的方向调整直至达到该目标值，或者重新识别出失火。如果转换到λ=1运行（化学计量的运行），实时的λ期望值能够例如寄存在在发动机控制器中内部。在重新稀燃运行时，该值有利地应用作为λ期望值（适应）。
因此可行的是：在稀燃运行中执行在失火极限处的、即在本发明的范围中有利地靠近、优选尽可能靠近失火极限处的λ调节。
因此特别有利的是：在稀燃运行中执行在失火极限处的适应性的λ调节。
因此同样可行的是：有利地为了在失火极限处运行内燃机，λ期望值作为目标值被给出、例如被输入到特性场中，且在优选要求的稀燃运行的情况下借助于例如以封闭的调节回路的λ调节、在包括在催化器（例如三元催化器）上游的及下游的λ传感器的测量值的情况下来调节。
适应性的λ调节能够尤其包含监控：燃烧是否在内燃机的（优选所有的）气缸中发生，其中，如果在被观察的时间段中没有发生能够测量的加速，这解释为点火失火且因此能够提高点火能量，其中，如果点火能量的提高没有效果，那么将燃料-空气混合物不同于目标值地在能够应用的步骤中优选最小地加浓直至发动机无失火地运转，且/或紧接着燃料-空气混合物又能够朝着目标值的方向调整，直至达到该目标值或者重新识别出至少一个失火，且/或，如果转换到化学计量的运行，那么实时的λ期望值例如存储在发动机控制器中在内部并且在重新稀燃运行时该λ期望值应用作为λ期望值。
可行的是：在稀燃运行、尤其在失火极限处的稀燃运行中，为了在燃烧室中导入燃烧，实施比在化学计量的运行中高的点火电压和/或长的火花持续时间。
对于在失火极限处的稀燃运行，为了导入燃烧，需要高的点火能量（以至少一个火花塞的高的点火电压的和/或长的火花持续时间的形式）。为了提供要求的点火能量，点火设备针对稀燃运行的优化是必要的。此处尤其以下措施中的一个或多个是可行的：
-为稀燃运行设计的、具有小的电极间距的火花塞。
-适合于提供高的点火能量的点火放大级或者集成在点火模块中的点火放大级，。
-能够在高的点火电压的情况下通过火花塞以长的火花持续时间实现点火能量的点火线圈或集成在点火模块中的点火线圈。
-由于伴随高的点火电压和/或长的火花持续时间的运行引起火花塞的高的磨损。因此发动机控制器或点火控制器是必要的，其在稀燃运行中通过相应提供数据的关闭角度特性场能够实现高的点火能量，然而在化学计量的运行（λ=1–运行）中通过转换到其它关闭角度特性场能够提供较小的点火能量，以便由此减小火花塞磨损。
因此可行的是：在稀燃运行中、尤其在失火极限处的稀燃运行中，应用一个或多个与在化学计量的运行中不同的火花塞关闭角度特性场。
此外可行的是：在稀燃运行中、尤其在失火极限处的稀燃运行中进行电晕放电点火和/或激光点火。此外可行的是：在怠速运转中或者说在稀燃运行中进行双点火。由此甚至能够形成超过传统的点火设备的失火极限的另外的稀燃移动（Magerverschiebung）。
可行的是：由怠速运转运行在对内燃机有主动的负荷要求的情况下从稀燃运行转换到化学计量的运行且从稀燃运行到化学计量的运行的该转换在优选节流元件打开位置恒定的情况下、尤其在节流阀门角度恒定的情况下进行。
由怠速运转运行能够优选直接从稀燃运行转换到化学计量的运行，尤其在对内燃机有主动的负荷要求的情况下。另外的负荷提高例如能够在保持化学计量的运行的情况下进行或者利用燃料过剩、尤其为了清除在消声器中所积聚的氧气而进行。
内燃机的废气优选输送给废气涡轮增压器和/或废气净化设备。废气净化设备优选包含催化器、例如三元催化器（有利地具有消声器）。
还应提到的是：作为在怠速运转中的稀燃运行的积极的副作用，在怠速运转中燃料消耗减小，有利地由于较低的负载变换损失。
内燃机优选包含发动机、燃气发动机或其它燃烧发动机，有利地用于机动车、优选用于商用车、尤其公共汽车或载重汽车。
本发明此外包含机动车、尤其商用车、例如载重汽车或公共汽车，具有被实施用于实施如在此公开的那样的运行方法的机构（例如控制器、发动机控制器等）。
附图说明
本发明的之前所说明的实施方式和特征能够彼此结合。本发明其它有利的改进方案在从属权利要求中公开或者从本发明优选的实施方式的以下说明中结合附图得出。
图1显示了如下的装置，在该装置处或利用该装置能够实施根据本发明的实施方式的运行方法。
具体实施方式
图1显示了装置V，在该装置处或利用该装置能够实施根据本发明的实施方式的运行方法。装置V尤其适用于机动车、优选商用车、尤其公共汽车或载重汽车。
装置V结合内燃机（例如燃气发动机或其它燃烧发动机，其能够有利地以奥托发动机的燃烧方法来运行）包含：曲轴箱1；至少一个燃烧室4和优选节流元件11、例如节流阀门（通过其增压空气能够从未示出的增压空气冷却器输送给燃烧室4）。内燃机尤其能够以稀燃运行（λ大于1）及化学计量的运行（λ=1）运行。λ如通常的那样表示燃烧空气比例，其说明在燃烧过程中空气和燃料的质量比例。
装置V、尤其曲轴箱1，此外包含气缸头2、排气阀5、进气阀6、一个或多个火花塞26、活塞3以及曲柄传动机构12。
装置V此外具有带有涡轮8和压缩机9的废气涡轮增压器7。参考标记10表示在压缩机9前的空气过滤器。
装置V此外包含尤其具有三元催化器19和消声器的废气净化设备18。参考标记17表示从废气净化设备18中的废气排出，而参考标记14表示到废气净化设备18中的废气进入。
装置V包含在催化器19下游的λ传感器20以及在催化器19上游的λ传感器21。
参考标记15表示至增压空气冷却器的增压空气，而参考标记16表示来自增压空气冷却器的增压空气。来自增压空气冷却器的增压空气16有利地经由节流元件11引导到燃烧室4中，尤其引导到进气阀6或增压空气弯管处。
参考标记13表示曲轴箱1中的油位。
装置V此外包含凸轮轴22、用于凸轮轴22的转速传感器23、曲轴24以及用于曲轴24的转速传感器25。
内燃机在怠速运转中转换到稀燃运行且以稀燃运行运行，从而有利地减小在曲轴箱1与燃烧室4之间的压力差。在燃烧室4与曲轴箱1之间的压力差降低引起到燃烧室4中的油输入减小，因此颗粒排放减小。
由于在怠速运转中转换到稀燃运行，空气需求明显提高。节流元件11打开得比在通常的化学计量的运行中宽，从而因此在抽吸弯管中的或在燃烧室4中的压力上升。
排放等级EURO VI的发动机必须满足相关的EU立法的严格的废气规定。在当前的现有技术的情况下排放极限值的遵守通过在整个特性场区域中λ=1的情况下的化学计量的运行、利用紧接着在三元催化器中的废气后处理实现。
由于在怠速运转中的稀燃运行，不再给出NOx排放的减小。为了遵守用于NOx的排放极限值，在怠速运转中NOx原始排放应该很低。由于在稀燃运行中的较低的燃烧温度，在燃烧期间仅产生低的NOx排放。
在三元催化器19中从CO到CO2的氧化在稀燃运行中即使在废气温度较低时也得出。而碳氢化物HC的氧化的、尤其从甲烷（CH4）至二氧化碳和水的效率在稀燃运行中废气温度较低时急剧地减小。因此此处还应该将原始排放调节得低。排放极限值的遵守通过以下措施实现：在失火极限附近准确地、适应性地调节λ；优化用于提供要求的点火能量的点火设备；应用现今的点火策略和/或先进的高性能点火设备（在怠速运转中的双点火、电晕放电点火、激光点火）；且/或利用相应的措施进行失火识别（提高点火能量、匹配点火策略、对混合物加浓）。
稀燃运行的效率随着稀燃程度、即随着λ上升而上升。
失火极限或最大λ限制燃料-空气混合物的点火能力。
失火极限主要与燃料组成相关且因此不是恒定的参数。为了使内燃机尽可能靠近失火极限运行，λ期望值作为目标值被输入到特性场中且在要求的稀燃运行的情况下借助于有利地以封闭的调节回路的λ调节在包括在催化器19之前λ传感器21的及在催化器19之后的λ传感器20的测量值的情况下被调节。用于燃料-空气混合物点火的点火能量利用有利地高的、但非最大的期望值来给出。借助于尤其转速凸轮轴的传感器23以及转速曲轴的传感器25能够监控：燃烧是否在内燃机的（所有的）气缸中发生。为此尤其能够观察曲轴24在工作行程（Arbeitstakt）中在燃料-空气混合物点火之后的加速。如果在被观察的时间段中没有发生能够测量的加速，这能够解释为点火失火。因此能够提高点火能量。然而如果点火能量的提高没有效果，能够使燃料-空气混合物不同于在特性场中的期望值在优选能够应用的步骤中有利地最小地加浓，直至内燃机稳定地、尤其无失火地运转。紧接着能够再将燃料-空气混合物朝着期望值的方向调节直至达到该期望值，或者重新识别出一个或多个失火。如果转换到化学计量的运行、即λ=1上，实时的λ期望值例如能够寄存在用于控制内燃机的发动机控制器内部。在重新稀燃运行时该期望值能够应用作为几乎新的λ期望值。由此实现适应。
对于在失火极限处的稀燃运行，为了导入燃烧需要高的点火能量（以高的点火电压和/或长的火花持续时间的形式）。为了提供要求的点火能量对传统的点火设备的优化或匹配是必要的。可行的措施尤其是：为稀燃运行设计的、有利地具有小的电极间距的火花塞；适合于提供有利地高的点火能量的点火放大级（Zündendstufen）或者集成在点火模块中的点火放大级；能够在有利地高的点火电压的情况下通过火花塞以有利地长的火花持续时间实现点火能量的点火线圈或集成在点火模块中的点火线圈；且/或发动机控制器和/或点火控制器，其在稀燃运行中通过相应提供数据（bedatete）的关闭角度特性场能够有利地实现高的点火能量，而在化学计量的运行中通过转换到其它关闭角度特性场能够提供较小的点火能量，以便由此尤其能够减小火花塞磨损。
适合于稀燃运行的点火设计是例如电晕放电点火和/或激光点火。如果这样的点火设备能够供支配用于串联使用（Serieneinsatz），其提供高的、朝着超过传统的点火设备的失火极限的另外的稀燃移动的潜力。
另外的问题是发动机在稀燃运行中在主动地负荷变换的情况下差的响应特性。所述运行方法能够通过合适的控制技术上的措施抵制该问题。由此能够由怠速运转运行在有负荷要求的情况下直接从稀燃运行转换到化学计量的运行。因为要求更高的负荷，所以这能够有利地很快地在节流元件11的打开位置恒定的情况下实现。另外的负荷提高优选在保持从现在化学计量的运行的情况下实现或者例如为了清除在消声器中所积聚的氧气、有利地利用燃料过剩、即在加浓运行（Fettbetrieb）中实现。
本发明不限于上面所说明的优选的实施方式。更确切地说，大量的变型和变体是可行的，其同样应用本发明构思且因此落入保护范围。此外本发明还要求保护独立于所参考的特征和权利要求的从属权利要求的主题和特征。
参考标记清单
1 曲轴箱
2 气缸头
3 活塞
4 燃烧室
5 排气阀
6 进气阀
7 废气涡轮增压器
8 涡轮
9 压缩机
10 空气过滤器
11 节流阀门
12 曲柄传动机构
13 油位
14 到废气设备的废气
15 到增压空气冷却器的增压空气
16 来自增压空气冷却器的增压空气
17 废气排出
18 废气净化设备、尤其包含（三元）催化器及有利地消声器
19 催化器、尤其三元催化器
20 在催化器后的λ传感器
21 在催化器前的λ传感器
22 凸轮轴
23 凸轮轴的转速传感器
24 曲轴
25 曲轴的转速传感器
26 火花塞
V 装置。

Claims (19)

1.用于装置（V）的运行方法，所述装置具有：
-内燃机，所述内燃机能够以稀燃运行及化学计量的运行来运行；
-曲轴箱（1）；以及
-至少一个燃烧室（4）；
其中，所述内燃机在怠速运转中转换到稀燃运行且以所述稀燃运行来运行，从而在所述曲轴箱（1）与所述燃烧室（4）之间的压力差减小，其特征在于，在所述稀燃运行中在失火极限处执行λ调节且/或在所述失火极限处执行所述稀燃运行。
2.根据权利要求1所述的运行方法，其中，所述装置（V）具有节流元件（11），增压空气通过所述节流元件能够从增压空气冷却器输送给所述燃烧室（4）。
3.根据权利要求2所述的运行方法，其中，通过所述节流元件（11）将增压空气从所述增压空气冷却器被输送给所述燃烧室（4）且在所述稀燃运行中所述节流元件（11）打开得比在化学计量的运行中宽。
4.根据权利要求3所述的运行方法，其中，在所述失火极限处执行适应性的λ调节。
5.根据权利要求1所述的运行方法，其中，为了在所述失火极限处运行所述内燃机，λ期望值作为目标值给出且在要求的稀燃运行的情况下借助于以封闭的调节回路的λ调节、在包括在催化器（19）之前的及之后的λ传感器（20、21）的测量值的情况下被调节。
6.根据权利要求1所述的运行方法，其中，当从所述稀燃运行转换到所述化学计量的运行时，存储实时的λ期望值，并且在重新稀燃运行时先前实时的λ期望值应用作为新的λ期望值。
7.根据权利要求4所述的运行方法，其中，所述适应性的λ调节包含监控：在所述内燃机的气缸中是否发生燃烧。
8.根据权利要求1所述的运行方法，其中，在所述稀燃运行中为了在所述燃烧室（4）中导入燃烧，实施比在所述化学计量的运行中高的点火电压和/或长的火花持续时间。
9.根据权利要求1所述的运行方法，其中，在所述稀燃运行中应用一个或多个与在所述化学计量的运行中不同的火花塞关闭角度特性场。
10.根据权利要求1所述的运行方法，其中，在所述稀燃运行中进行双点火、电晕放电点火和/或激光点火。
11.根据权利要求2所述的运行方法，其中，由所述怠速运转运行在对所述内燃机有主动的负荷要求的情况下从所述稀燃运行转换到化学计量的运行且从所述稀燃运行到所述化学计量的运行的所述转换在所述节流元件（11）打开位置恒定的情况下进行。
12.根据权利要求1所述的运行方法，其中，由所述怠速运转运行在对所述内燃机有主动的负荷要求的情况下直接从所述稀燃运行转换到化学计量的运行。
13.根据权利要求11或12所述的运行方法，其中，另外的负荷提高在保持化学计量的运行的情况下进行或者利用燃料过剩来进行。
14.根据权利要求1所述的运行方法，其中，废气从所述内燃机输送到废气涡轮增压器和/或废气净化设备。
15.根据权利要求14所述的运行方法，其中，所述废气净化设备包含三元催化器和/或消声器。
16.根据权利要求6所述的运行方法，其中，所述实时的λ期望值存储在用于控制所述内燃机的发动机控制器中。
17.根据权利要求7所述的运行方法，其中，针对于燃烧，观察曲轴（24）在工作行程中在燃料-空气混合物点火之后的加速，其中，如果在被观察的时间段中没有发生能够测量的加速，那么用于所述燃料-空气混合物点火的点火能量提高，其中，如果所述点火能量的提高没有效果，那么所述燃料-空气混合物不同于λ目标值被加浓直至所述内燃机无失火地运转，其中，紧接着，将所述燃料-空气混合物朝着所述λ目标值的方向调整直至达到所述λ目标值，或者重新识别出至少一个失火。
18.机动车，具有实施得用于实施根据前述权利要求中任一项所述的运行方法的机构。
19.根据权利要求18所述的机动车，其中，所述机动车是商用车。
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