CN110067657A - 用于在考虑空气过量极限的情况下运行燃烧发动机的方法和装置 - Google Patents

用于在考虑空气过量极限的情况下运行燃烧发动机的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运行带有燃烧发动机（2）的发动机系统（1）的方法，其中在考虑烟气限制质量（）的情况下确定待喷入到气缸（3）中的燃料质量（），其中取决于关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸（3）中的氧气质量的指明量并且取决于预设的空气过量极限（λSL），该空气过量极限指明具有可接受的碳黑生成的极限值，来确定该烟气限制质量（）。

Description

用于在考虑空气过量极限的情况下运行燃烧发动机的方法和 装置
技术领域
本发明涉及一种燃烧发动机、尤其柴油发动机。本发明此外涉及在考虑空气过量极限的情况下配给待喷入的燃料。
背景技术
现代的柴油发动机的运行基本上通过配给待喷入的燃料质量进行。待喷入的燃料质量可以基本上与期望的发动机力矩对应地自由选择，但是过高的待喷入燃料质量导致低于所谓的空气过量极限，由此在很大程度上引起碳黑生成。
为了避免喷入过高的燃料质量，在对应的发动机控制器中实现烟气限制功能，该烟气限制功能尤其在荷载突变的情况下基于气缸的燃烧室中的当前供燃烧使用的空气质量限制待喷入的燃料质量。在荷载要求下，燃烧发动机的运行状态通常首先在相似的转速下从低荷载状态变换到中荷载至高荷载状态。由于空气供应的瞬态特性、尤其由于涡轮增压器的缓慢的响应特性，在气缸的燃烧室中新鲜空气质量与遵循荷载要求的待喷入的燃料质量相比升高得更缓慢。因此，为了避免碳黑生成，待喷入的燃料质量在达到空气过量极限时受到限制，该空气过量极限指明具有可接受的碳黑生成的空气过量极限值。空气过量极限因此与待喷入的燃料质量相对应，自该燃料质量起针对在气缸的燃烧室中存在预设的空气填充量发生碳黑生成。
烟气限制功能通常被实施成用于取决于当前的发动机状态来预设烟气限制量，该发动机状态是例如取决于转速且如有可能取决于发动机运行方式预设的。
现代的柴油发动机设有排气再循环系统，以降低氮氧化物未经处理的排放。对于烟气限制，迄今为止未明确地考虑排气再循环系统；由此隐含地假设：燃烧排气经由排气再循环系统以最小化的空气过量来再循环，该最小化空气过量对应于烟气极限。这在动态的荷载特性下、在振荡过程衰减之后对应于静止状态。
显而易见地，使用低压排气再循环系统，该低压排气再循环系统不同于内部排气再循环系统和高压排气再循环系统具有缓慢的动态特性。经由低压排气再循环系统而再循环的燃烧排气与新鲜空气一起被压缩并被引导经过具有相对较高的存储体积的充入空气冷却器。由此产生显著的瞬态效果，该瞬态效果迄今为止在确定烟气限制时未被考虑。
文件DE 10 2015 201 905 A1描述了一种用于在带有燃烧发动机和电动机器或替代的辅助机组的车辆的瞬态过渡阶段中降低排气排放的方法，其中在瞬态过渡阶段中，在由用于确定瞬态过渡阶段的动态指标限定的时间段上，通过燃烧发动机的荷载点下降来执行修正干预并且与此同时通过由电动机器或者替代的辅助机组施加的瞬态转矩来执行转矩替换。
文件WO 2012/076256 A公开了一种用于确定燃烧发动机的烟气限制特征图谱的方法，其中针对多个转速各自执行多个荷载突变，且在此测量燃烧排气的阻光度并将该阻光度与阻光度极限进行比较，其中针对每个转速以预设的最小燃烧空气比开始，并且各自在最小燃烧空气比提高了一个燃烧空气比增量的情况下重复各个荷载突变，直到所测量的阻光度小于预设的阻光度极限。
发明内容
根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的用于运行引导燃料的、具有烟气限制功能的燃烧发动机的方法以及一种根据并列的权利要求所述的带有发动机系统的装置。
其他设计方案在从属权利要求中指明。
根据第一方面，提出一种用于运行带有燃烧发动机的发动机系统的方法，其中在考虑烟气限制量的情况下确定待喷入的燃料的喷入量，其中取决于关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸中的氧气质量的指明量并且取决于预设的空气过量极限（该空气过量极限指明具有可接受的碳黑生成的空气过量极限值）来确定该烟气限制质量。空气过量极限优选地通过烟气限制特征图谱来预设。
优选地，此外取决于在气缸中的总气体质量或者流入到气缸中的气体质量流量来确定烟气限制质量。
在带有排气再循环系统的燃烧发动机中，由于导入到气缸的燃烧室中的气体混合物的氧气量的瞬态特性，仅在空气系统的静止状态下指示烟气限制功能的方案是非常不准确的。由此，待喷入的燃料量在要求荷载提高的情况下过度地受到限制。对烟气限制量的确定通常是基于新鲜空气质量取决于发动机系统的瞬间状态变量的平衡和预设的烟气限制特征图谱。相比之下，上文介绍的方法提出，基于关于紧接在燃烧冲程之前处于气缸中的氧气质量的指明量和优选地总气体质量并且取决于预设的烟气限制特征图谱来确定烟气限制。
在此，使用对燃料量、气体量和气体成分（例如氧气质量比例）的基于质量的描述。替代于此，基于物质量的描述也是可行的。
关于紧接在燃烧冲程之前处于气缸中的氧气质量的指明量能够基于在进气管中或甚至在气缸中空气系统的实际状态变量指明，在确定这些状态变量时优选地在发动机的空气和排气系统的瞬态模型的范围中考虑空气系统的瞬态特性。因此上文的方法遵循局部方案，以便计算烟气限制质量，且使用在燃烧发动机运行时原则上已知的物理状态变量。
关于紧接在燃烧冲程之前处于气缸中的氧气质量的指明量能够由气缸中的气体质量和氧气质量比例指明。
此外关于紧接在燃烧冲程之前处于气缸中的氧气质量的指明量能够由当前的进气管质量流量和当前的进气管氧气质量比例指明。这些变量表征对于燃烧或者紧接着的下一燃烧冲程可用的氧气质量。这些变量通常还在燃烧发动机运行时在发动机的空气和排气系统的瞬态模型的范围中已经可供使用。
优选地，为了确定关于紧接在燃烧冲程之前处于气缸中的氧气质量的指明量，考虑了气体引导系统、尤其是充入空气冷却器的存储容量的瞬态特性。由此，除了单独的质量流量的平衡等式之外，还能够考虑空气系统中的瞬态效果。
在低荷载状态下，在要求荷载提高之前，燃烧排气中的空气过量、即氧气含量通常比在荷载更高的状态下更大。因此，燃烧排气的紧接在荷载要求开始时存在的再循环比例首先包含比在计算烟气限制质量的传统方案中所考虑的更多的氧气。如果考虑经由排气再循环系统而再循环的氧气比例来计算烟气限制质量，则确认，烟气限制质量相比于传统的方案提高且因此烟气限制质量能够相对于迄今为止的方案提高。由此在荷载提高时能够实现更高的动态性。
除了在此描述的用于确定烟气限制质量的方法之外，能够根据对新鲜空气质量的平衡和预设的烟气限制特征图谱来实现单独的烟气限制质量（即根据按照当前的现有技术的方式）。最后实际上考虑的烟气限制质量于是能够基于两个烟气限制量（根据在此公开的方法和根据按照当前的现有技术的方式）和预设的加权来获得。借助权重能够改变在现有技术与只考虑根据在此公开的方法的烟气限制质量之间的行驶和排放特性。
此外，烟气限制质量能够用作用于限制待喷入的燃料质量的上极限值。
根据另一方面，提出一种用于运行带有燃烧发动机的发动机系统的装置，其中在考虑烟气限制质量的情况下确定待喷入到气缸中的燃料质量，其中取决于关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸中的氧气质量的指明量并且取决于预设的空气过量极限（该空气过量极限指明具有可接受的碳黑生成的极限值）来确定该烟气限制质量。
根据另一方面，提出一种带有燃烧发动机和上文的装置的发动机系统。
附图说明
下面借助于附图详细阐述实施方式。附图示出：
图1示出了带有燃烧发动机和排气再循环系统的发动机系统的示意图；以及
图2示出了用于展示用于引导燃料的、具有烟气限制功能的燃烧发动机的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了发动机系统1的示意图，该发动机系统带有燃烧发动机2，该燃烧发动机具有多个（在当前实施例中，四个）气缸3。燃烧发动机2被设计为引导燃料的燃烧发动机、尤其柴油机，且对应于往复活塞式发动机，该往复活塞式发动机以已知的方式以四冲程运行来运行。
经由空气供应系统4给燃烧发动机2供应新鲜空气且经由排气引出系统5引出燃烧排气。
在空气供应系统4和排气引出系统5中布置有增压设备6，该增压设备在空气供应系统4中具有压缩机61且在排气引出系统中具有排气涡轮机62。压缩机61和排气涡轮机62经由增压器轴机械地联接。排气涡轮机62将所提供的排气焓转换为转动能量，该转动能量由压缩机61使用以用于从车辆周围环境中抽吸新鲜空气并使其压缩在增压的区段41中。
在增压的区段41中存在充入空气冷却器42，该充入空气冷却器从经压缩的充入空气中提取由于压缩而产生的热量。在充入空气冷却器42的下游布置有节流阀瓣43，该节流阀瓣将空气供应系统4的充入空气区段41与进气管区段44分离。进气管区段44经由（未示出的）进气阀直接通向燃烧发动机2的气缸3的燃烧室中。
设置有高压排气再循环系统7，该高压排气再循环系统在燃烧发动机2的排气歧管51的附近提取燃烧排气并将该燃烧排气引回到进气管区段44中。高压排气再循环系统7包括第一排气再循环管路71、第一排气再循环冷却器72和第一排气再循环阀73，以便将燃烧排气引回到进气管区段44中。这用于混合所抽吸的新鲜空气的惰性气体，以便因此在运行燃烧发动机2时降低氮氧化物排放。
替代地或附加地，能够设置有呈低压排气再循环系统8的形式的第二排气再循环系统。低压排气再循环系统8包括第二排气再循环管路81、第二排气再循环冷却器82和第二排气再循环阀83，以便在增压设备6的排气涡轮机62的下游从排气质量流量中提取燃烧排气并将该燃烧排气在增压设备6的压缩机61的上游供应给所抽吸的新鲜空气。
排气再循环阀73、83以及排气阀瓣9用于控制经再循环的排气量，该排气阀瓣紧接地布置在燃烧排气排出到周围环境中的出口之前。
设置有控制器10，该控制器操控发动机系统1的设定器，例如排气再循环阀73、83、节流阀瓣43、排气阀瓣9、气缸2上的喷入阀等，以便根据外部预设、例如驾驶员期望力矩来运行燃烧发动机2。为此，控制器10借助于适合的传感器系统检测状态变量，例如增压的区段41中的增压的、例如经过新鲜空气质量流量传感器的新鲜空气质量流量、借助于λ探头探测的λ值等。在引导燃料的燃烧发动机中，待调整的外部预设通过调整待喷入的燃料质量实现。
此外，控制器10实施烟气限制功能，该烟气限制功能确保：当前待喷入的燃料质量在发动机系统1的瞬间状态下不导致在燃烧期间形成碳黑。这尤其在气缸中在燃料过量的情况下发生燃烧时进行。也就是说，在这些气缸中的每个气缸的燃烧冲程中的燃烧应以如下燃料质量发生，其中在氧气与燃料之间的化学计量平衡不被超越或者燃烧应足够稀薄、即在与化学计量平衡具有充分的间隔的情况下发生，如在烟气限制特征图谱中指定的那样。
发动机控制器10实施在图2的流程图中简短概述的方法。在步骤S1中，与外部预设对应地确定待喷入的燃料质量。在步骤S2中，由烟气限制质量限制待喷入的燃料质量；并且在步骤S3中，与所限制的燃料质量对应地执行喷入。该方法循环地实施。
烟气限制质量能够如下文描述的那样得出。
在此假设，待喷入的燃料质量借助用于燃烧所消耗的新鲜空气质量流量和关于新鲜空气比例的化学计量比（燃料质量与新鲜空气质量）或者从用于燃烧所消耗的氧气质量流量、化学计量比和空气中的氧气质量比例如下地得出：
在上面的公式中仅考虑所消耗的空气/氧气比例，即由于燃烧引起的空气和氧气的改变。存在的空气过量在此不考虑。
氧气质量流量对应于进气管区段44中的氧气质量流量与发动机出口中的氧气质量流量之间的差值：
其中对应于进气管氧气质量比例、对应于进气管质量流量、对应于发动机出口中的氧气质量比例、并且对应于发动机出口中的气体质量流量。
为了排除发动机出口中的气体质量流量，能够如下地使用气缸中的质量流量平衡。
基于这些等式如下地获得烟气限制质量：
（1）
和
（2）
其中对应于发动机出口中的理想氧气质量比例，其根据上文的关系（2）借助进气管区段44中的空气过量极限λSL，该空气过量极限对应于从烟气限制特征图谱中得出的空气过量极限值。
进气管质量流量和气管氧气质量比例的在此包含的变量对应于如下指明量，这些指明量是在燃烧发动机2运行期间通常针对其他功能而言非常准确地且尤其在考虑瞬态特性的情况下被确定（优选基于能够供控制器10使用的传感器被模型化）。此外，状态变量指明在进入到气缸3中的紧接的入口处所供应的气体质量流量的状态。上文的表述考虑燃烧平衡且确保，当喷入烟气限制质量时，排气具有理想氧气质量比例，从而当烟气限制质量不被超越时，不低于空气过量极限λSL（空气系数）。
为了确保与烟气限制功能的迄今为止的功能性的向下兼容性且为了在应用方面优化对烟气极限的响应特性，迄今为止的方案（）的结果能够例如在经加权的平均值的范围中与在此介绍的新方案（）组合。
具有权重w，该权重是应用参数。权重w还能够根据发动机系统1的当前运行状态进行调整，其中w = 0对应于根据传统的烟气限制功能的烟气限制质量，而w = 1对应于根据上文描述的功能的烟气限制质量。
代替进气管质量流量和进气管氧气质量比例，还能够使用气缸中的气体质量和氧气质量比例来获得烟气限制质量。
这尤其在带有显著的内部排气再循环系统的应用中是重要的。
此外，上文的公式还能够通过如下方式来简化：针对化学计量比Lst ≈ 14.5而言使用近似公式，对于该近似公式而言Lst比1大得多。这样的近似公式使得计算烟气限制质量变得简单且因此在控制器中产生较低的计算耗费。

Claims (12)

1.一种用于运行带有燃烧发动机（2）的发动机系统（1）的方法，其中在考虑烟气限制质量（）的情况下确定待喷入到气缸（3）中的燃料质量（），其中取决于关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸（3）中的氧气质量的指明量并且取决于预设的空气过量极限（λSL），该空气过量极限指明具有可接受的碳黑生成的极限值，来确定该烟气限制质量（）。
2.根据权利要求1之一所述的方法，其中此外取决于进入到气缸（3）中的进气管质量流量（）来确定该烟气限制质量（）。
3.根据权利要求2所述的方法，其中关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸（3）中的氧气质量的指明量是由当前的进气管质量流量（）和当前的进气管氧气质量比例（）指明的。
4.根据权利要求1至2所述的方法，其中关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸（3）中的氧气质量的指明量是由该气缸（3）中的气体质量（）和氧气质量比例（）指明的。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，为了确定关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸（3）中的氧气质量的指明量，考虑了气体引导系统（4，5）、尤其是充入空气冷却器（42）的存储容量的瞬态特性。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中根据新鲜空气质量取决于该发动机系统（1）的瞬间状态变量的平衡和预设的烟气限制特征图谱来确定另外的烟气限制质量（），其中取决于该另外的烟气限制质量（）和预设的权重（w）来确定所考虑的烟气限制质量（）。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中将该烟气限制质量（）用作用于限制待喷入的燃料质量（）的上极限值。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，该烟气限制质量（）通过如下公式来确定
其中对应于进气管氧气质量比例、对应于进气管质量流量、对应于在发动机出口中的理想氧气质量比例、对应于就化学计量比而言的新鲜空气比例、以及对应于空气中的氧气质量比例。
9.一种用于运行带有燃烧发动机（2）的发动机系统（1）的装置，其中在考虑烟气限制质量（）的情况下确定待喷入到气缸（3）中的燃料质量（），其中取决于关于紧接在燃烧冲程之前处于这些气缸（3）中的氧气质量的指明量并且取决于预设的空气过量极限（λSL），该空气过量极限指明具有可接受的碳黑生成的极限值，来确定该烟气限制质量（）。
10.一种发动机系统，带有燃烧发动机和根据权利要求9所述的装置。
11.一种带有程序代码装置的计算机程序，该计算机程序被适配成：当在计算单元、尤其是移动式计算单元上实施该计算机程序时，实施根据权利要求1至8之一所述的方法。
12.一种存储有根据权利要求11所述的计算机程序的机器可读存储介质。
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