CN109642506B - 气体运行的内燃机和用于其运行的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于在带有内部的混合物形成的燃烧发动机的燃烧室中的气态燃料的氮氧化物‑贫乏的燃烧的方法。方法包括在抽吸过程期间喷射第一气体量；压缩气体‑空气‑混合物；在压缩期间或在压缩结束时开始喷射第二气体量，其中第一和第二气体量如此选择，以至于不超过NOX‑排放的预设值；点燃气体‑空气‑混合物；且燃烧由第一气体量和第二气体量组成的总气体量，其中第一气体量预先混合地燃烧，且第二气体量主要在混合控制的燃烧中转化。此外提出了一种相应的燃烧发动机。
Description
技术领域
本公开设计一种用于运行内燃机、在此尤其带有气态燃料的直接喷射的燃烧发动机的方法。
背景技术
已知的是，运行带有外部的混合物形成(Gemischbildung)的燃烧发动机、尤其燃气发动机(Gasmotor)且通过外部点燃装置(Fremdzündung)来点燃气体-空气-混合物。还已知的是所谓的双燃料燃烧发动机，在其中气体-空气-混合物通过少量的引导-燃料(Pilot-Brennstoff，有时称为领航-燃料或试验性-燃料)、例如柴油点燃。这样的双燃料燃烧发动机还可在纯粹的柴油运行中运行。
对于这样的燃烧发动机不利的是由于相对低的压缩比限制的效率，其是必要的，以便避免通过气体-空气-混合物的自行点燃(Selbstzündung)引起的不受控制的燃烧。这样的燃烧发动机的另外的缺点在于在负荷提高的情形中受限的动力学(Dynamik)。
还已知的是带有将气体直接地喷射到燃烧室中的燃烧发动机，其中气体通常以大约250到500巴喷射。气体量到燃烧室中的该喷射典型地大约在压缩冲程结束时接近上死点(OT)开始。少量的引导-燃料、例如柴油，或外部点燃装置、例如火花塞被用于点燃该气体射流(Gasstrahl)。
带有气体-直接喷射的燃烧发动机通常具有较高的热效率，其由较高的压缩比产生。这还导致在纯粹的柴油运行中的几乎相同的效率。在动态的过程的情形中、在双物质-运行中且在纯粹的柴油运行的情形中，行为可对照于带有直接喷入的纯粹的柴油发动机。
较高的NOX-排放属于气体-直接喷射的缺点，因为带入的气体主要在混合控制的燃烧中转化。此外，显著的能量耗费可视作为不利的，其为了将气体压缩到喷射-压力上必须被施加。由于原理引起地较高的NOX-排放值，带有气体-直接喷射和柴油典型的压缩水平的发动机因此常常(根据目标市场的排放法规或环境准则)装备有用于减少该问题的措施，例如废气再循环或选择性催化还原(SCR)。
文件CA 2838120 A1公开了一种直接喷入的、气体运行的发动机，其借助于引导-燃料的自行点燃被点燃。
在现有技术的背景下存在对于带有气体-直接喷射的燃烧发动机和用于其运行的方法的需求，它们具有改善的特性、尤其改善的排放-特征。
发明内容
本发明的任务通过一种根据本发明的方法和一种根据本发明的燃烧发动机解决。
在本发明的第一方面中提供一种用于在带有内部的混合物形成的燃烧发动机的燃烧室中氮氧化物-贫乏地燃烧气态燃料的方法。方法包括在抽吸过程(Ansaugvorgang)期间喷射第一气体量；压缩气体-空气-混合物；在压缩期间或在压缩结束时开始喷射第二气体量，其中第一和第二气体量如此选择，以至于不超过NOX-排放的预设值；点燃气体-空气-混合物；且燃烧由第一气体量和第二气体量组成的总气体量，其中第一气体量预先混合地燃烧，且第二气体量主要地在混合控制的燃烧中转化。此外提出了一种相应的燃烧发动机。
方法的优点在于，混合的燃烧概念(带有来自预先混合的燃烧和混合控制的燃烧的组合)实现带有较高份额的预先混合的燃烧的运行。这通过喷射的气体流的较少份额的混合控制的燃烧，以及对于燃烧过程的提高的控制(Kontrolle，有时也称为监控)实现获得较低的NOX-排放。
本发明的另外的特征和优点在系统的优选的实施方式的下面的详细的描述中介绍。
附图说明
本发明的另外的特征和优点对于本领域技术人员根据结合附图的详细的描述可见。其中：
图1显示了按照根据本发明的实施方式的方法的喷射示意图；
图2显示了用于实施根据实施方式的方法的燃烧发动机。
具体实施方式
即使描述了优选的实施方式，本发明的保护范围也不限制于示出的实施方式，而是还包括对于本领域技术人员容易想到的实施方式。
因此如其在该公开中应用的那样，表述“NOX-排放的预设值不被超过”意味着：该值可具有不同的参考范畴(Bezugsrahmen，有时也称为参考系统)。该值可例如涉及来自定义的行驶循环的合计的排放，或涉及来自定义的时间间隔的平均的排放，或平均每放出的能量量(Energiemenge)(例如3.5 g/kWh)或还为实时值或质量浓度(例如1 g/Nm3)。
基本上本发明的实施方式涉及一种用于运行带有气体-直接喷射(Gas-Direkteindüsung)的燃烧发动机的方法，其中混合燃烧方法得到使用。根据在此应用的意义，“混合燃烧方法”涉及如下，即燃料的一部分在预先混合的燃烧中且一部分在混合控制的燃烧中被转化。
对此基本上，根据本发明的实施例，到气缸中的气体-喷射划分为至少两个时间上彼此分开的或者间隔开的过程。第一气体喷射在进入-冲程(Einlass-Takt)期间发生，由此实现该第一气体量与空气的近似均匀的混匀。接近上死点，那么典型地喷入液态的引导-燃料，跟随有第二气体量的喷射。第一气体量在形成的很大程度上或者理想地均匀的气体-空气-混合物的预先混合的燃烧中燃烧。第二气体量反之在混合控制的燃烧中转化。因为混合控制的燃烧在此处得到使用的空气量(Luftzahl，有时称为充气系数)的情形中相比于预先混合的燃烧基本上与显著更高的NOX-排放相联系，发动机的氮氧化物-排出相比于纯粹直接喷射-运行明显地减小，预先混合地燃烧的第一气体量相比于第二气体量越大地选择或者调整，这越强烈。
在若干实施例(所述实施例在下面还更详尽地阐述)中，第一和第二气体量以及引导-燃料的相应的喷射或喷入量可至少短期地单独地减小，在一些情形中还减小直至零。一般地，第一气体量和/或第二气体量的喷射的过程还可分别进一步细分，这意味着以划分为多个单个阶段的方式进行。
图1示意性地显示了根据本发明的实施例的方法的时间流程。第一气体量20在吸取过程期间的喷射被显示，其中在此形成的气体-空气-混合物的空气量在稀薄范围中位于点燃极限之上或远在点燃极限之上。在后面的压缩中，气体-空气-混合物被压缩。将近压缩结束时、也就是说接近上死点(OT)，第二气体量30被喷射。如此产生的气体-空气-混合物被点燃，优选地通过在开始喷射第二气体量30时已经喷入引导-燃料40。压缩的气体-空气-混合物燃烧，其中第一气体量20预先混合地燃烧，且第二气体量主要在混合控制的燃烧中转化。第一和第二气体量在此根据实施例如此选择，以至于没有超过NOX-排放的预设值。这不仅涉及两个气体量彼此的比例而且涉及其绝对值。
因此，在实施例中，喷入系统100的综合特性曲线典型地如此设计，对于负荷情形和转速的至少一部分第一和第二喷入量如此配量，以至于遵循NOX-目标值。综合特性曲线确定典型地在开发期间根据NOX-排放的试验测量发生。在此，实时的相应的排放值可为用于喷射量的配给(Zumessung)的基础。在其它的示例中，预设的试验循环可为如下条件，即在其时间上的平均值中(或者在总数中)应该遵循确定的NOX-水平。因此，在确定的负荷情形中的相对更高的排放值可通过在其它的负荷情形中的明显位于目标值之下的排放被补偿或过补偿。通过NOX-排放的更上面描述的通常较低的水平(其通过此处描述的实施方式是可行的)，可以以该方式实现NOX-贫乏的运行，而为此另外的结构上的用于NOX-减小的措施如例如废气再循环或选择性催化还原将不是必要的。较低的排放水平还通过对于自行点燃的燃烧发动机更确切地说位于下面的范围中的典型地大约9:1到14:1的压缩比取得。基本上，然而公开的构想还以更高的压缩起最小化排放的作用，相应地更高压缩的发动机因此同样视作为落入当前的公开下。
为了负荷调节，在实施例中，第一气体量20和第二气体量30作为负荷的函数变化。这涉及绝对的量且尤其还涉及两个气体量彼此的比例。因此，例如第二气体量(对于每循环总气体量)的百分比份额可朝着更低的负荷减小。在部分负荷或者更低的负荷的情形中的该减小可如此程度地进行，即第二气体量20完全省去，即减小到零。点燃还在该情形中典型地通过接近上死点喷入引导-燃料40(如在图1中示出的)发生。因为待转化的总气体量那么仅仅由被喷射的第一气体量20组成，被喷射的总气体在预先混合的燃烧中燃烧，这意味着在较少的氮氧化物-形成下。仅仅引导-燃料40在该情形中在混合控制的燃烧中燃烧。
在动态的负荷提高的情形中，在实施例中，第二气体量30可被提高且第一气体量20可被减小。第一气体量还可在此可选地短期地下降直到零。因为第二气体量通过混合控制的燃烧典型地相比于第一气体量20的预先混合的燃烧在更少的总-碳氢化合物(总碳氢化合物-THC)-排放下燃烧，以该方式在负荷变换的情形中可最小化THC-排放。同样，在动态的负荷下降的情形中短期地首先第一气体量20可被减小。该减小可以可选地进行直到零。从而仅还第二气体量30有助于燃烧。尤其地，因此在负荷变换的情形中第一气体量20和/或第二气体量30的控制可在边界条件下进行，即不超过THC-排放的预设值。
在实施例中可设置有调节单元(Regelorgan)，通过该调节单元到达到气缸中的空气量可被影响。调节单元要么直接地位于空气路径中要么影响该空气路径。其可以以不同的方式实现，例如作为节流阀(Drosselklappe)、节气阀(Drosselventil)、作为可变阀传动装置(VVT)、作为废气门(Waste Gate)、或作为可变-涡轮几何-增压器(VTG)。空气量的独立的调节用于动态的功率匹配，尤其在同时提高第一气体量20的情形中。
参照图1提及的引导-燃料40典型地在喷射第二气体量30开始时被喷入。气体-空气-混合物的点燃那么作为引导-燃料40的自行点燃的结果发生。引导-燃料通常为柴油，但是还可包括其它的液态燃料如生物柴油、菜籽油等等。
如上面参照部分负荷或者较低的负荷列举的那样，如果在较低的负荷的情形中第二气体量30很大程度上或完全减小到零，则引导-燃料40可已经更提前地，即在压缩期间还提前地被喷入。优选地，这在相应于在OT之前的大约50度直到在OT之前的大约90度的时间点发生。
在若干实施例中，气体-空气-混合物的点燃代替通过引导-燃料40还可通过应用外部点燃装置发生，尤其通过火花塞。
在图2中示意性地示出燃烧发动机60，该燃烧发动机适合于实施根据实施例的方法。其典型地具有在大约9:1和大约14:1之间的压缩比。其可作为自吸式发动机(Saugmotor)或作为增压的发动机(aufgeladener Motor)运行，尤其带有废气-涡轮增压器(未显示)。除了四冲程发动机的组成部件(即气缸78、活塞76、进气阀72、排出阀74、燃烧室77)之外，发动机根据实施例具有喷射器50。其用于将第一气体量20或者第二气体量30、以及引导-燃料40喷射到气缸78或者燃烧室77中。喷射器50可以以不同的方式实施。如示出的那样，用于气体和引导-燃料的输送可设置在单独的喷射器壳体中。这样的喷射器例如在文件DE102014014452(B4)中公开。结构上分开的实施方案也是可行的，其中用于气体和引导-燃料(典型地柴油)的喷射器分别作为自身的喷入或者喷射装置在气缸盖70中被提供，以及其中用于气体的多个喷射器得到应用的实施方案是可行的。基本上，在大多数此处描述的实施方式中至少大约150度曲轴角度的间隔位于第一气体量的喷射结束和第二气体量的喷射开始之间。已经在上面描述的调节单元80在图2中作为不起限制作用的示例实施为节流阀。调节单元80可通常在实施例中以不同的方式实现，例如作为节气阀、作为可变阀传动装置(VVT)、作为废气门、或作为可变-涡轮几何-增压器(VTG)。
描述的实施方式的优点主要在于相比于传统的直接-喷射的气体驱动的发动机显著地减小的NOX-排放值。相比于传统的、在稀薄运行中运行的燃气发动机可以以这样的“混合燃烧方法”实现在更高的热效率的情形中的较低的氮氧化物排放，不带有废气后处理。此外，THC-排放较低。
通常适用：根据实施例将气体量划分为第一和第二气体量典型地不仅在稳定的运行中而且在瞬时的运行中可影响排放。例如，第二气体量的提高导致NOX-排放的上升且同时导致下降的THC-排放。因此，根据实施例划分为第一和第二气体量允许在稳定的运行中和/或还在瞬时的运行中调节到NOX-排放和THC-排放的预设值。
因此，第一和第二气体量的喷射可根据实施例如此设计，以至于NOX-排放和THC-排放的预设值任何时候、也就是说作为实时-值，或还有在时间上平均地遵循，例如在预设的试验-发动机循环中或在例如30分钟的预设的时间段上的连续的测量的平均值中。
尤其地，通过将气体量不同地划分为第一气体量和第二气体量在瞬时的运行中相比于稳定的运行还可调整到NOX-排放和THC-排放的不同的定义的值上。例如可在动态的负荷提高的情形中相比于在稳定的运行中预设对于NOX-排放的更高的值和对于THC-排放的更低的值。这通过在第一气体量的同时的成比例的减小的情形中第二气体量的成比例的提高实现。同时在第一气体量的成比例的减小的情形中第二气体量的该成比例的提高在负荷提高和负荷下降的情形中允许更好的动力学。通过第一气体量和第二气体量的比例的移动可因此短期地移动在瞬时的运行中的NOX-排放和THC-排放的比例，在第二气体量的提高的情形中朝着更高的NOX-排放和更少的THC-排放，备选地反过来在第二气体量的成比例的减少的情形中朝着更低的NOX-排放和更高的THC-排放。
因此，相应于动态的要求在负荷变换的情形中在遵循NOX-排放和THC-排放的预设值下将气体量划分为第一气体量和第二气体量，要么短期地实时要么在试验-发动机循环的平均值中要么在(例如30分钟的)预设的时间段上的连续的测量的平均值中发生。
通过在抽吸期间在喷射第一气体量时更低的必要的压力水平，或者第二气体量的明显地更低的质量份额，得出相比于直接喷射的气体运行的发送机的显著的能量节省，其有助于提升总效率。
Claims (13)
1.一种用于在带有内部的混合物形成的燃烧发动机(60)的燃烧室中的气态燃料的氮氧化物-贫乏的燃烧的方法，包括：
- 在抽吸过程期间喷射第一气体量(20)；
- 压缩气体-空气-混合物；
- 在所述压缩期间或在所述压缩结束时开始喷射第二气体量(30)，其中所述第一气体量(20)和所述第二气体量(30)如此选择，以至于不超过NOX-排放的预设值；
- 点燃所述气体-空气-混合物；
- 燃烧由第一气体量(20)和第二气体量(30)组成的总气体量，其中所述第一气体量预先混合地燃烧，且所述第二气体量主要在混合控制的燃烧中转化，其中
在动态的负荷提高的情形中，所述第二气体量(30)提高且所述第一气体量(20)减小，且在动态的负荷下降的情形中首先所述第一气体量(20)减小，且其中
在动态的负荷提高或负荷下降的情形中，所述第一气体量(20)和/或所述第二气体量(30)的变化在如下的边界条件下实现，即不超过总碳氢化合物-排放的预设的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在动态的负荷提高的情形中，所述第二气体量(30)被提高且所述第一气体量(20)被减小，且在动态的负荷下降的情形中首先所述第一气体量(20)被减小、减小直到零。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在动态的负荷提高的情形中，所述第二气体量(30)被提高且所述第一气体量(20)被减小直到零。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，在动态的负荷提高的情形中通过在所述第一气体量的同时的成比例的减小的情形中所述第二气体量的成比例的提高相比于在稳定的运行中遵循对于NOX-排放的更高的值和对于总碳氢化合物-排放的更低的值。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，调节单元(80)设置在空气路径中，该调节单元影响所述空气量。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，所述第一气体量(20)和/或所述第二气体量(30)的喷射拆开为至少两个单个阶段。
7.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，在所述第二气体量(30)的喷射开始时喷入引导-燃料(40)，且其中所述气体-空气-混合物的点燃通过所述引导-燃料(40)的自行点燃发生。
8.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，所述气体-空气-混合物的点燃通过外部点燃装置发生。
9.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，在所述第一气体量(20)的喷射结束和所述第二气体量(30)的喷射开始之间存在至少150度曲轴角度的间隔。
10.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，所述燃烧发动机(60)具有在9:1和14:1之间的压缩比。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，在较低的负荷的情形中，所述第二气体量(30)减小直到零且所述引导-燃料(40)在所述压缩期间已经提前地被喷入。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在较低的负荷的情形中，所述第二气体量(30)减小直到零且所述引导-燃料(40)在所述压缩期间已经提前地在相应于在上死点之前的50度到在上死点之前的90度的时间点被喷入。
13.一种燃烧发动机(60)，该燃烧发动机具有用于应用根据权利要求1至12中任一项所述的方法的控制单元且设计成用于执行该方法。
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