DE102014005985A1

DE102014005985A1 - Betriebsverfahren für einen Magergasmotor und Magergasmotor

Info

Publication number: DE102014005985A1
Application number: DE201410005985
Authority: DE
Inventors: Alexander Bernhard; Wolfgang FIMML; Andreas Flohr; Christian Kunkel; Aron Toth
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Magergasmotor (1) mit mehreren Zylindern (2, 3, 4), wobei der Magergasmotor (1) eine zylinderindividuelle Gasdosierung, eine zylinderindividuelle Brennverlaufserfassung und eine Emissionserfassung umfasst, wobei der Magergasmotor (1) von einem Steuergerät (5) derart geregelt wird, dass eine Brenndauer der einzelnen Zylinder (2, 3, 4) und die Emissionen der einzelnen Zylinder (2, 3, 4) von dem Steuergerät (5) durch eine Veränderung des Lambda zylinderindividuell geregelt werden und dass das Lambda von dem Steuergerät (5) durch eine Anpassung einer Gasdosierzeit zylinderindividuell derart geregelt wird, dass alle Zylinder (2, 3, 4) bezüglich ihrer Brenndauer gleich gestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Magergasmotor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Magergasmotor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Gasmotoren mit überstöchiometrischem Gas-Luft-Gemisch reagieren sehr sensibel auf kleinste Änderungen im Mischungsverhältnis. Dies führt im Realbetrieb zu dem Effekt, dass einzelne Zylinder durch stochastische oder systematische Unterschiede, welche sich zum Beispiel durch unterschiedliche Gusschargen oder durch die Position des einzelnen Zylinders als Eckzylinder oder als Mittenzylinder ergeben, eine sehr ungünstige Einflussnahme auf den Motorbetrieb haben. Dies kann zu einem deutlich erhöhten Spitzendruck oder auch zu einer Überhöhung einer zylinderindividuellen Abgasemission führen. Im Ergebnis muss der Motor auf den schlechtesten Zylinder abgestimmt werden, wobei dies stets eine geringere Leistung oder einem erhöhten Verbrauch der Gesamtmaschine bedeutet. Da das Brennverfahren derartiger Gasmotoren sehr empfindlich ist, führen auch kleinere Änderungen in der Gasqualität bzw. der Gaszusammensetzung oder daraus resultierende Ungenauigkeiten im Regelungskonzept bzw. der Gasdosierung zu abweichenden Emission. Dem muss durch eine pessimistische worst-case-Bedatung des Steuergerätes entgegen gewirkt werden. Grundsätzlich sind Gasmotoren bis dato für ein Gas kalibriert und laufen bei Verwendung dieses Gases stabil und sauber.
Aus der US 6 354 268 B1 ist es bekannt, zur Optimierung der Leistung eines Selbstzündungsmotors eine Regelung auf den maximalen Spitzendruck bzw. das Spitzendruckverhältnis an zwei ausgewählten Punkten vorzunehmen. Aus der DE 197 54 353 C2 ist ein Gasmotor bekannt, welcher insbesondere als Diesel-Gasmotor ausgebildet ist. Bei diesem erfolgt eine Regelung auf die Brennraumtemperatur. Hierzu sind Brennraumtemperatursensoren erforderlich. Die WO 2012/097389 A2 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welchem eine Zylindergleichstellung über eine zylinderindividuelle Steuerung oder Regelung des Zündzeitpunkts und/oder der Öffnungsdauer und/oder des Brennstoffversorgungsdrucks der jeweiligen Einbringvorrichtung für den Brennstoff herbeigeführt. Hierbei wird als Führungsgröße für eine Zylindergleichstellungsregelung vorzugsweise der Zylinderspitzendruck oder der Zylindermitteldruck oder die aus dem Zylinderdruckverlauf ermittelte zylinderindividuelle Luftüberschusszahl herangezogen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Magergasmotors bzw. einen Magergasmotor vorzuschlagen, durch welches bzw. durch welchen es ermöglicht wird, die Emissionen auch unabhängig von der Gasqualität stabil zu halten und/oder eine ungünstige Einflussnahme von stochastischen oder systematischen Unterschieden zwischen einzelnen Zylindern auf den Motorbetrieb zu egalisieren.
Diese Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 4 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für einen Magergasmotor mit mehreren Zylindern einer zylinderindividuellen Gasdosierung, einer zylinderindividuellen Brennverlaufserfassung, einer Emissionserfassung und einem Steuergerät umfasst die Schritte: dass eine Brenndauer der einzelnen Zylinder und die Emissionen der einzelnen Zylinder von dem Steuergerät durch eine Veränderung des Lambda zylinderindividuell geregelt werden und dass das Lambda von dem Steuergerät durch eine Anpassung einer Gasdosierzeit zylinderindividuell derart geregelt wird, dass alle Zylinder bezüglich ihrer Brenndauer gleich gestellt werden. Durch die hinsichtlich der Brenndauer vorgenommene Gleichstellung der Zylinder wird erreicht, dass alle Zylinder gleiche Emissionen abgeben. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist unabhängig von der Gasqualität. Somit sind auch die Emissionen unabhängig von der Gasqualität an jedem Magergasmotor stabil. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren, dass Magergasmotoren sehr nahe an ihre Designgrenzen abgestimmt werden. Weiterhin wird durch die Regelung der Brenndauer auch die Form bzw. Gestalt der Brennrate fixiert, so dass sich für alle Zylinder des Magergasmotors durch die ähnlichen Temperaturen in den Zylindern ein ähnlicher Klopfabstand ergibt.
Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren vor, für die zylinderindividuelle Brennverlaufserfassung zylinderindividuelle Druckmessungen auszuführen und auf der Basis dieser Druckmessungen mit dem Steuergerät eine zylinderindividuelle Druckverlaufsanalyse durchzuführen. Eine derartige Druckverlaufsanalyse lässt sich mit Standardbauteilen kostengünstig realisieren.
Entsprechend dem Betriebsverfahren ist es auch vorgesehen, die zur Regelung des Magergasmotors herangezogene Brenndauer als Zeitintervall zwischen einem Zündzeitpunkt und einem Erreichen eines Umsatzpunkts von 65% bis 85% und insbesondere etwa 75% zu definieren. Versuche haben gezeigt, dass diese Brenndauer stabil ist und mit dem Lambda korreliert.
Der erfindungsgemäße Magergasmotor umfasst mehrere Zylinder, ein Steuergerät, für jeden Zylinder, wenigstens einen Drucksensor, für jeden Zylinder, wenigstens eine Gasdosiereinrichtung für jeden Zylinder und wenigstens eine Emissionserfassungseinrichtung, wobei das Steuergerät eine elektronische Schaltung umfasst, wobei die elektronische Schaltung aus Messsignalen der Drucksensoren zylinderindividuelle Druckverläufe errechnet und hieraus zur Anpassung der Brenndauer zylinderindividuelle Steuersignale für eine zylinderindividuelle Gasdosiereinrichtungen errechnet und an die Gasdosiereinrichtungen der einzelnen Zylinder ausgibt und wobei die zylinderindividuellen Steuersignale für die Gasdosiereinrichtungen eine zylinderindividuelle Dosierzeit in Form einer Dosierdauer vorgeben. Durch die hinsichtlich der Brenndauer vorgenommene Gleichstellung der Zylinder wird erreicht, dass alle Zylinder gleiche Emissionen abgeben. Der erfindungsgemäße Magergasmotor lässt sich so unabhängig von der Gasqualität mit niedrigen Emissionen betreiben. Weiterhin ermöglicht der erfindungsgemäße Magergasmotor eine sehr nahe Abstimmung an seinen Designgrenzen. Weiterhin wird durch die Brenndauer auch die Form bzw. Gestalt der Brennrate fixiert, so dass sich für alle Zylinder des Magergasmotors durch die ähnlichen Temperaturen in den Zylindern ein ähnlicher Klopfabstand ergibt.
Im Sinne der Erfindung wird unter einem Magergasmotor ein auch als Magermotor oder Magermixmotor bezeichneter Verbrennungsmotor verstanden, welcher mit einem mageren bzw. mit einem überstöchiometrischen Gas-Luft-Gemisch betrieben wird. Hierbei ist unter „mager” zu verstehen, dass mehr Luft bzw. Verbrennungsluft vorhanden ist, als für die stöchiometrische Verbrennung des Brenngases im Zylinder benötigt wird. Dies bedeutet, dass Lambda > 1 ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Es zeigt dabei
1 eine schematische Ansicht eines Magergasmotors.
1 zeigt einen Magergasmotor 1 in schematischer Ansicht. Der Magergasmotor 1 umfasst einen Motorblock MB mit mehrere Zylinder 2, 3, 4 ein Steuergerät 5 für jeden Zylinder 2, 3, 4, wenigstens einen Drucksensor D2, D3, D4 für jeden Zylinder 2, 3, 4, wenigstens eine Gasdosiereinrichtung G2, G3, G4 für jeden Zylinder 2, 3, 4 und wenigstens eine Emissionserfassungseinrichtung E1. Hierbei erfasst die Emissionserfassungseinrichtung E1 in einem Abgastrakt 6 des Magermotors 1 vorhandene Emissionswerte wie z. B. NOx-Emissionswerte. Das Steuergerät 5 umfasst eine elektronische Schaltung 7. Die elektronische Schaltung 7 errechnet aus Messsignalen MD2, MD3, MD4 der Drucksensoren D2, D3, D4 zylinderindividuelle Druckverläufe und errechnet hieraus zur zylinderindividuellen Anpassung der Brenndauer zylinderindividuelle Steuersignale S2, S3, S4 für eine zylinderindividuelle Gasdosiereinrichtungen G2, G3, G4 und gibt diese an die Gasdosiereinrichtungen G2, G3, G4 der einzelnen Zylinder 2, 3, 4 aus. Durch die zylinderindividuellen Steuersignale S2, S3, S4 für die Gasdosiereinrichtungen G2, G3, G4 wird eine zylinderindividuelle Dosierzeit in Form einer Dosierdauer vorgeben, welche in Abhängigkeit von einem individuellen Druckverlauf des einzelnen Zylinders 2, 3, 4 derart ermittelt wurde, dass die Brenndauern der einzelnen Zylinder 2, 3, 4 gleich gehalten werden. Hierbei sind die zylinderindividuellen Dosierdauern derart aufeinander abgestimmt, dass die Dosierdauer jeweils in der gleichen Stellung der Kurbelwelle abgeschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6354268 B1 [0003]
DE 19754353 C2 [0003]
WO 2012/097389 A2 [0003]

Claims

Betriebsverfahren für einen Magergasmotor (1) mit mehreren Zylindern (2, 3, 4), wobei der Magergasmotor (1) eine zylinderindividuelle Gasdosierung, eine zylinderindividuelle Brennverlaufserfassung und eine Emissionserfassung umfasst, wobei der Magergasmotor (1) von einem Steuergerät (5) derart geregelt wird, – dass eine Brenndauer der einzelnen Zylinder (2, 3, 4) und die Emissionen der einzelnen Zylinder (2, 3, 4) von dem Steuergerät (5) durch eine Veränderung des Lambda zylinderindividuell geregelt werden und – dass das Lambda von dem Steuergerät (5) durch eine Anpassung einer Gasdosierzeit zylinderindividuell derart geregelt wird, dass alle Zylinder (2, 3, 4) bezüglich ihrer Brenndauer gleich gestellt werden.
Betriebsverfahren für einen Magergasmotor (1) mit mehreren Zylindern (2, 3, 4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die zylinderindividuelle Brennverlaufserfassung zylinderindividuelle Druckmessungen ausgeführt werden und auf der Basis dieser Druckmessungen von dem Steuergerät (5) eine zylinderindividuelle Druckverlaufsanalyse durchgeführt wird.
Betriebsverfahren für einen Magergasmotor (1) mit mehreren Zylindern (2, 3, 4) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Regelung des Magergasmotos (1) herangezogenen Brenndauer als Zeitintervall zwischen einem Zündzeitpunkt und einem Erreichen eines Umsatzpunkts von 65% bis 85% und insbesondere etwa 75% vorgegeben ist.
Magergasmotor (1) mit mehreren Zylindern (2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass der Magergasmotor (1) – ein Steuergerät (5) für jeden Zylinder (2, 3, 4), – wenigstens einen Drucksensor (D2, D3, D4) für jeden Zylinder (2, 3, 4), – wenigstens eine Gasdosiereinrichtung (G2, G3, G4) für jeden Zylinder (2, 3, 4) und – wenigstens eine Emissionserfassungseinrichtung (E1) umfasst, – wobei das Steuergerät (5) eine elektronische Schaltung (7) umfasst, – wobei die elektronische Schaltung (7) aus Messsignalen der Drucksensoren (MD2, MD3, MD4) zylinderindividuelle Druckverläufe errechnet und hieraus zur Anpassung der Brenndauer zylinderindividuelle Steuersignale (S2, S3, S4) für eine zylinderindividuelle Gasdosiereinrichtungen errechnet und an die Gasdosiereinrichtungen (G2, G3, G4) der einzelnen Zylinder (2, 3, 4) ausgibt, – wobei die zylinderindividuellen Steuersignale (S2, S3, S4) für die Gasdosiereinrichtungen (G2, G3, G4) eine zylinderindividuelle Dosierzeit in Form einer Dosierdauer vorgeben.